Efekt fotowoltaiczny i jego odmiany

Po raz pierwszy tak zwany efekt fotowoltaiczny (lub fotowoltaiczny) zaobserwował w 1839 roku francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel.

Eksperymentując w laboratorium swojego ojca, odkrył, że oświetlając platynowe płytki zanurzone w roztworze elektrolitu, galwanometr podłączony do płytek wskazywał na obecność siła elektromotoryczna… Wkrótce dziewiętnastoletni Edmund znalazł przydatne zastosowanie dla swojego odkrycia — stworzył aktynograf — urządzenie do rejestracji natężenia padającego światła.

Efekty fotowoltaiczne obejmują dziś całą grupę zjawisk, w taki czy inny sposób związanych z pojawieniem się prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym, w skład którego wchodzi oświetlona próbka półprzewodnikowa lub dielektryczna, lub zjawisko pola elektromagnetycznego na oświetlonej próbce, jeżeli obwód zewnętrzny jest otwarty. W tym przypadku wyróżnia się dwa rodzaje efektów fotowoltaicznych.

Do pierwszego rodzaju efektów fotowoltaicznych zalicza się: fotoEMF o dużej sile elektrycznej, fotoEMF objętościowe, fotoEMF zaworowe, a także efekt fotoepizoelektryczny i efekt Dembera.

Efekty fotowoltaiczne drugiego typu obejmują: efekt porywania elektronów przez fotony, a także powierzchniowe, kołowe i liniowe efekty fotowoltaiczne.

Skutki pierwszego i drugiego rodzaju

Efekty fotowoltaiczne pierwszego typu są spowodowane procesem, w którym efekt świetlny generuje ruchome nośniki ładunku elektrycznego o dwóch postaciach — elektronach i dziurach, co prowadzi do ich rozdzielenia w przestrzeni próbki.

Możliwość separacji związana jest w tym przypadku albo z niejednorodnością próbki (jej powierzchnię można uznać za niejednorodność próbki), albo z niejednorodnością oświetlenia, gdy światło jest pochłaniane blisko powierzchni lub gdy tylko część próbki powierzchnia próbki jest oświetlona, ​​więc EMF powstaje w wyniku wzrostu prędkości ruchu termicznego elektronów pod wpływem padającego na nie światła.

Efekty fotowoltaiczne drugiego typu związane są z asymetrią elementarnych procesów wzbudzania nośników ładunku przez światło, asymetrią ich rozpraszania i rekombinacji.

Efekty tego typu pojawiają się bez dodatkowego tworzenia par przeciwnych nośników ładunku, są spowodowane przejściami międzypasmowymi lub mogą być związane z wzbudzaniem nośników ładunku przez zanieczyszczenia, ponadto mogą być spowodowane absorpcją energii świetlnej przez bezpłatne nośniki opłat.

Następnie przyjrzyjmy się mechanizmom efektów fotowoltaicznych. Najpierw przyjrzymy się efektom fotowoltaicznym pierwszego rodzaju, a następnie zwrócimy uwagę na skutki drugiego rodzaju.

Grubszy efekt

Efekt Dembera może wystąpić przy równomiernym oświetleniu próbki, po prostu z powodu różnicy w szybkości rekombinacji powierzchni po jej przeciwnych stronach. Przy nierównomiernym oświetleniu próbki efekt Dembera jest spowodowany różnicą współczynników dyfuzji (różnicą ruchliwości) elektronów i dziur.

Efekt Dembera, inicjowany pulsacyjnym oświetleniem, służy do generowania promieniowania w zakresie terahercowym. Efekt Dembera jest najbardziej widoczny w półprzewodnikach o wysokiej ruchliwości elektronów i wąskich szczelinach, takich jak InSb i InAs.[banner_adsense]

Fotoprzegroda-EMF

Foto-EMF bramki lub bariery powstaje w wyniku rozdzielenia elektronów i dziur przez pole elektryczne bariery Schottky'ego w przypadku styku metal-półprzewodnik, jak i pola złącze p-n lub heterozłącze.

Prąd jest tutaj tworzony przez ruch zarówno nośników ładunku generowanych bezpośrednio w obszarze złącza pn, jak i tych nośników, które są wzbudzane w obszarach blisko elektrody i docierają do obszaru silnego pola przez dyfuzję.

Separacja par sprzyja powstawaniu przepływu dziur w regionie p i przepływu elektronów w regionie n. Jeśli obwód jest otwarty, wówczas pole elektromagnetyczne działa w kierunku złącza p-n, więc jego działanie kompensuje pierwotne zjawisko.

Efekt ten jest podstawą funkcjonowania ogniwa słoneczne i bardzo czułe detektory promieniowania o niskiej odpowiedzi.

Wolumetryczny foto-EMF

Bulk foto-EMF, jak sama nazwa wskazuje, powstaje w wyniku rozdzielenia się par nośników ładunku w masie próbki przy niejednorodnościach związanych ze zmianą stężenia domieszki lub zmianą składu chemicznego (jeśli półprzewodnik jest złożony).

Tutaj powodem rozdzielenia par jest tzw Przeciwne pole elektryczne utworzone przez zmianę położenia poziomu Fermiego, która z kolei zależy od stężenia zanieczyszczeń. Lub, jeśli mówimy o półprzewodniku o złożonym składzie chemicznym, rozszczepienie par wynika ze zmiany szerokości pasma.

Zjawisko pojawiania się fotoelektryków masowych ma zastosowanie do sondowania półprzewodników w celu określenia stopnia ich jednorodności. Rezystancja próbki jest również związana z niejednorodnościami.

Foto-EMF wysokiego napięcia

Nieprawidłowe (wysokie napięcie) foto-EMF występuje, gdy nierównomierne oświetlenie powoduje powstanie pola elektrycznego skierowanego wzdłuż powierzchni próbki. Wielkość powstałego pola elektromagnetycznego będzie proporcjonalna do długości oświetlanego obszaru i może osiągnąć 1000 woltów lub więcej.

Mechanizm może być spowodowany albo efektem Dembera, jeśli prąd rozproszony ma składową skierowaną na powierzchnię, albo utworzeniem struktury p-n-p-n-p wystającej na powierzchnię. Wynikowa EMF wysokiego napięcia to całkowita EMF każdej pary asymetrycznych złączy n-p i p-n.

Efekt fotoepizoelektryczny

Efekt fotoepizoelektryczny to zjawisko pojawienia się fotoprądu lub fotoemf podczas odkształcania próbki. Jednym z jego mechanizmów jest pojawienie się masowego pola elektromagnetycznego podczas niejednorodnego odkształcenia, prowadzącego do zmiany parametrów półprzewodnika.

Innym mechanizmem powstawania fotoepisoelektrycznego pola elektromagnetycznego jest poprzeczne pole elektromagnetyczne Dembera, które zachodzi przy jednoosiowym odkształceniu, co powoduje anizotropię współczynnika dyfuzji nośników ładunku.

Ten ostatni mechanizm jest najbardziej skuteczny w wielodolinowych deformacjach półprzewodników, prowadzących do redystrybucji nośników między dolinami.

Przyjrzeliśmy się wszystkim efektom fotowoltaicznym pierwszego typu, następnie przyjrzymy się efektom przypisanym drugiemu rodzajowi.

Efekt przyciągania elektronów przez fotony

Efekt ten jest związany z asymetrią rozkładu fotoelektronów względem pędu uzyskanego z fotonów. W dwuwymiarowych strukturach z optycznymi przejściami minipasmowymi fotoprąd ślizgowy jest spowodowany głównie przejściami elektronów z określonym kierunkiem pędu i może znacznie przekraczać odpowiedni prąd w kryształach masowych.

Liniowy efekt fotowoltaiczny

Efekt ten wynika z asymetrycznego rozkładu fotoelektronów w próbce. Tutaj asymetria jest tworzona przez dwa mechanizmy, z których pierwszy jest balistyczny, związany z kierunkowością impulsu podczas przejść kwantowych, a drugi to ścinanie, spowodowane przesunięciem środka ciężkości pakietu falowego elektronów podczas przejścia kwantowe.

Liniowy efekt fotowoltaiczny nie jest związany z przeniesieniem pędu z fotonów na elektrony, dlatego przy ustalonej polaryzacji liniowej nie zmienia się po odwróceniu kierunku rozchodzenia się światła.Procesy absorpcji i rozpraszania światła oraz rekombinacji przyczyniają się do prąd (wkłady te są kompensowane w równowadze termicznej).

Zjawisko to, zastosowane do dielektryków, umożliwia zastosowanie mechanizmu pamięci optycznej, ponieważ prowadzi do zmiany współczynnika załamania światła, która zależy od natężenia światła i trwa nawet po jego wyłączeniu.

Okrągły efekt fotowoltaiczny

Efekt występuje, gdy jest oświetlony światłem spolaryzowanym eliptycznie lub kołowo z kryształów żyrotropowych. EMF odwraca znak, gdy zmienia się polaryzacja. Przyczyna tego efektu leży w związku między spinem a pędem elektronu, który jest nieodłącznym elementem kryształów gyrotropowych. Kiedy elektrony są wzbudzane przez światło spolaryzowane kołowo, ich spiny są zorientowane optycznie i odpowiednio pojawia się kierunkowy impuls prądu.

?

Obecność przeciwnego efektu wyraża się pojawieniem się aktywności optycznej pod działaniem prądu: przenoszony prąd powoduje orientację spinów w kryształach gyrotropowych.

Ostatnie trzy efekty służą odbiornikom inercyjnym. promieniowanie laserowe.

Powierzchniowy efekt fotowoltaiczny

Powierzchniowy efekt fotowoltaiczny występuje, gdy światło jest odbijane lub pochłaniane przez nośniki swobodnego ładunku w metalach i półprzewodnikach w wyniku przenoszenia pędu z fotonów na elektrony podczas ukośnego padania światła, a także podczas padania normalnego, jeśli normalna do powierzchni kryształu różni się w kierunku od jednej z głównych osi kryształu.

Efekt polega na zjawisku rozpraszania wzbudzonych światłem nośników ładunku na powierzchni próbki. W przypadku absorpcji międzypasmowej zachodzi ona pod warunkiem, że znaczna część wzbudzonych nośników dociera do powierzchni bez rozpraszania.

Kiedy więc elektrony odbijają się od powierzchni, powstaje prąd balistyczny skierowany prostopadle do powierzchni. Jeśli po wzbudzeniu elektrony ustawią się w bezwładności, może pojawić się prąd skierowany wzdłuż powierzchni.

Warunkiem wystąpienia tego efektu jest różnica w znaku niezerowych składowych średnich wartości pędu „do powierzchni” i „od powierzchni” dla elektronów poruszających się po powierzchni. Warunek jest spełniony np. w kryształach sześciennych po wzbudzeniu nośników ładunku ze zdegenerowanego pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

W rozpraszaniu dyfuzyjnym przez powierzchnię elektrony docierające do niej tracą składową pędu wzdłuż powierzchni, podczas gdy elektrony oddalające się od powierzchni ją zachowują. Prowadzi to do pojawienia się prądu na powierzchni.