Efectul fotovoltaic și soiurile sale

Pentru prima dată, așa-numitul efect fotovoltaic (sau fotovoltaic) a fost observat în 1839 de către fizicianul francez Alexandre Edmond Becquerel.

Experimentând în laboratorul tatălui său, a descoperit că prin iluminarea plăcilor de platină scufundate într-o soluție electrolitică, un galvanometru conectat la plăci indica prezența forta electromotoare… Curând, Edmund, în vârstă de nouăsprezece ani, a găsit o aplicație utilă pentru descoperirea sa - a creat un actinograf - un dispozitiv pentru înregistrarea intensității luminii incidente.

Astăzi, efectele fotovoltaice includ un întreg grup de fenomene, într-un fel sau altul, legate de apariția unui curent electric într-un circuit închis, care include o probă semiconductoare sau dielectrică iluminată, sau fenomenul EMF pe o probă iluminată, dacă circuitul extern este deschis. În acest caz, se disting două tipuri de efecte fotovoltaice.

Primul tip de efecte fotovoltaice includ: foto-EMF electrice ridicate, foto-EMF de volum, foto-EMF cu supapă, precum și efectul fotoepizoelectric și efectul Dember.

Efectele fotovoltaice de al doilea tip includ: efectul antrenării electronilor de către fotoni, precum și efectele fotovoltaice de suprafață, circulare și liniare.

Efecte de primul și al doilea tip

Efectele fotovoltaice de primul tip sunt cauzate de un proces în care un efect de lumină generează purtători mobili de sarcină electrică de două caractere — electroni și găuri, ceea ce duce la separarea lor în spațiul probei.

Posibilitatea de separare este legată în acest caz fie de neomogenitatea probei (suprafața acesteia poate fi considerată ca neomogenitatea probei), fie de neomogenitatea iluminării atunci când lumina este absorbită aproape de suprafață sau când doar o parte din suprafața probei este iluminată, astfel încât EMF apare din cauza creșterii vitezei de mișcare termică a electronilor sub influența luminii care cade asupra lor.

Efectele fotovoltaice de al doilea tip sunt asociate cu asimetria proceselor elementare de excitare a purtătorilor de sarcină de către lumină, cu asimetria împrăștierii și recombinării acestora.

Efectele de acest tip apar fără formarea suplimentară a perechilor de purtători de sarcină opuse, ele sunt cauzate de tranziții între benzi sau pot fi legate de excitarea purtătorilor de sarcină de către impurități, în plus, pot fi cauzate de absorbția energiei luminoase de către transportatori de taxe gratuite.

În continuare, să ne uităm la mecanismele efectelor fotovoltaice. Ne vom uita mai întâi la efectele fotovoltaice ale primului tip, apoi ne vom îndrepta atenția asupra efectelor celui de-al doilea tip.

Efect mai gros

Efectul Dember poate apărea la iluminarea uniformă a probei, pur și simplu din cauza diferenței ratelor de recombinare a suprafeței pe părțile opuse. Cu iluminarea neuniformă a probei, efectul Dember este cauzat de diferența dintre coeficienții de difuzie (diferența de mobilitate) a electronilor și a găurilor.

Efectul Dember, inițiat de iluminarea pulsată, este folosit pentru a genera radiații în intervalul teraherți. Efectul Dember este cel mai pronunțat în semiconductori cu mobilitate ridicată a electronilor, cu distanțe înguste, cum ar fi InSb și InAs.[banner_adsense]

Bariera foto-EMF

Poarta sau bariera foto-EMF rezultă din separarea electronilor și a găurilor de către un câmp electric a barierei Schottky în cazul unui contact metal-semiconductor, precum și câmpul joncțiune p-n sau heterojuncție.

Curentul aici este format din mișcarea atât a purtătorilor de sarcină generați direct în regiunea joncțiunii pn, cât și a acelor purtători care sunt excitați în regiunile apropiate de electrod și ajung în regiunea câmpului puternic prin difuzie.

Separarea perechilor promovează formarea fluxului de găuri în regiunea p și a fluxului de electroni în regiunea n. Dacă circuitul este deschis, atunci EMF acționează în direcția directă pentru joncțiunea p-n, astfel încât acțiunea sa compensează fenomenul inițial.

Acest efect este baza funcționării celule solare și detectoare de radiații foarte sensibile cu răspuns scăzut.

Foto-EMF volumetric

Foto-EMF în vrac, după cum sugerează și numele, apare ca urmare a separării perechilor de purtători de sarcină în cea mai mare parte a probei la neomogenități asociate cu o modificare a concentrației dopantului sau cu o modificare a compoziției chimice (dacă semiconductorul este compus).

Aici, motivul separării perechilor este așa-numitul Un contra câmp electric creat de o modificare a poziției nivelului Fermi, care, la rândul său, depinde de concentrația de impurități. Sau, dacă vorbim de un semiconductor cu o compoziție chimică complexă, scindarea perechilor rezultă dintr-o modificare a lățimii benzii.

Fenomenul de apariție a fotoelectricilor în vrac este aplicabil la sondarea semiconductorilor pentru a determina gradul de omogenitate a acestora. Rezistența probei este, de asemenea, legată de neomogenități.

Foto-EMF de înaltă tensiune

Foto-EMF anormale (de înaltă tensiune) apare atunci când iluminarea neuniformă provoacă un câmp electric direcționat de-a lungul suprafeței probei. Mărimea EMF rezultată va fi proporțională cu lungimea zonei iluminate și poate ajunge la 1000 de volți sau mai mult.

Mecanismul poate fi cauzat fie de efectul Dember, dacă curentul difuz are o componentă direcționată la suprafață, fie de formarea unei structuri p-n-p-n-p proiectată la suprafață. EMF de înaltă tensiune rezultată este EMF totală a fiecărei perechi de joncțiuni n-p și p-n asimetrice.

Efect fotoepizoelectric

Efectul fotoepizoelectric este fenomenul de apariție a unui fotocurent sau fotoemf în timpul deformării probei. Unul dintre mecanismele sale este apariția EMF în vrac în timpul deformării neomogene, ceea ce duce la o modificare a parametrilor semiconductorului.

Un alt mecanism de apariție a EMF fotoepisoelectric este EMF transversal Dember, care apare sub deformare uniaxială, care determină anizotropia coeficientului de difuzie al purtătorilor de sarcină.

Ultimul mecanism este cel mai eficient în deformările semiconductoarelor multivale, ducând la o redistribuire a purtătorilor între văi.

Ne-am uitat la toate efectele fotovoltaice ale primului tip, apoi ne vom uita la efectele atribuite celui de-al doilea tip.

Efectul atracției electronilor de către fotoni

Acest efect este legat de asimetria în distribuția fotoelectronilor asupra impulsului obținut din fotoni. În structurile bidimensionale cu tranziții optice de mini-bandă, fotocurentul de alunecare este cauzat în principal de tranzițiile de electroni cu o anumită direcție de impuls și poate depăși semnificativ curentul corespunzător în cristale în vrac.

Efect fotovoltaic liniar

Acest efect se datorează distribuției asimetrice a fotoelectronilor în probă. Aici, asimetria este formată din două mecanisme, primul fiind balistic, legat de direcționalitatea pulsului în timpul tranzițiilor cuantice, iar al doilea este forfecarea, datorită deplasării centrului de greutate al pachetului de undă de electroni în timpul tranzițiile cuantice.

Efectul fotovoltaic liniar nu este legat de transferul de impuls de la fotoni la electroni, prin urmare, cu o polarizare liniară fixă, nu se schimbă atunci când direcția de propagare a luminii este inversată Procesele de absorbție și împrăștiere și recombinare a luminii contribuie la curent (aceste contributii sunt compensate la echilibru termic).

Acest efect, aplicat dielectricilor, face posibilă aplicarea mecanismului memoriei optice, deoarece duce la o modificare a indicelui de refracție, care depinde de intensitatea luminii, și continuă chiar și după oprirea acesteia.

Efect fotovoltaic circular

Efectul apare atunci când este iluminat de lumină polarizată eliptică sau circulară din cristale girotrope. Semnul EMF inversează atunci când polarizarea se schimbă. Motivul efectului constă în relația dintre spin și impulsul electronilor, care este inerentă cristalelor girotrope. Când electronii sunt excitați de lumina polarizată circular, spinurile lor sunt orientate optic și, în consecință, are loc un impuls de curent direcțional.

?

Prezența efectului opus se exprimă în apariția activității optice sub acțiunea unui curent: curentul transmis determină orientarea spinurilor în cristale girotrope.

Ultimele trei efecte servesc la receptoarele inerțiale. radiatii laser.

Efect fotovoltaic de suprafață

Efectul fotovoltaic de suprafață apare atunci când lumina este reflectată sau absorbită de purtătorii de sarcină liberi în metale și semiconductori datorită transferului de impuls de la fotoni la electroni în timpul incidenței oblice a luminii și, de asemenea, în timpul incidenței normale, dacă normala la suprafața cristalului diferă în direcția de la una dintre axele principale ale cristalului.

Efectul constă în fenomenul de împrăștiere a purtătorilor de sarcină excitați de lumină pe suprafața probei. În cazul absorbției inter-bandă, aceasta are loc cu condiția ca o fracțiune semnificativă a purtătorilor excitați să ajungă la suprafață fără împrăștiere.

Deci, atunci când electronii sunt reflectați de la suprafață, se formează un curent balistic, direcționat perpendicular pe suprafață. Dacă, la excitare, electronii se aranjează în inerție, poate apărea un curent direcționat de-a lungul suprafeței.

Condiția pentru apariția acestui efect este diferența de semn al componentelor diferite de zero ale valorilor medii ale impulsului „spre suprafață” și „de la suprafață” pentru electronii care se deplasează de-a lungul suprafeței. Condiția este îndeplinită, de exemplu, în cristale cubice, la excitarea purtătorilor de sarcină din banda de valență degenerată la banda de conducere.

În împrăștierea difuză de către o suprafață, electronii care ajung la ea pierd componenta impulsului de-a lungul suprafeței, în timp ce electronii care se îndepărtează de suprafață o rețin. Acest lucru duce la apariția unui curent la suprafață.