Fotovoltaisk effekt og dens varianter

For første gang ble den såkalte fotovoltaiske (eller fotovoltaiske) effekten observert i 1839 av den franske fysikeren Alexandre Edmond Becquerel.

Ved å eksperimentere i farens laboratorium oppdaget han at ved å belyse platinaplater nedsenket i en elektrolytisk løsning, indikerte et galvanometer koblet til platene tilstedeværelsen av elektromotorisk kraft… Snart fant den nitten år gamle Edmund en nyttig applikasjon for oppdagelsen hans - han laget en aktinograf - en enhet for å registrere intensiteten av innfallende lys.

I dag inkluderer fotovoltaiske effekter en hel gruppe fenomener, på en eller annen måte, relatert til utseendet til en elektrisk strøm i en lukket krets, som inkluderer en belyst halvleder eller dielektrisk prøve, eller EMF-fenomenet på en belyst prøve, hvis ekstern krets er åpen. I dette tilfellet skilles to typer fotovoltaiske effekter.

Den første typen fotovoltaiske effekter inkluderer: høy elektrisk foto-EMF, volum foto-EMF, ventil foto-EMF, samt den fotoepizoelektriske effekten og Dember-effekten.

Fotovoltaiske effekter av den andre typen inkluderer: effekten av medføring av elektroner av fotoner, samt overflate-, sirkulære og lineære fotovoltaiske effekter.

Effekter av den første og andre typen

Fotovoltaiske effekter av den første typen er forårsaket av en prosess der en lyseffekt genererer mobile elektriske ladningsbærere av to karakterer - elektroner og hull, som fører til at de skilles i prøverommet.

Muligheten for separasjon er i dette tilfellet relatert enten til inhomogeniteten til prøven (overflaten kan betraktes som inhomogeniteten til prøven) eller til inhomogeniteten til belysningen når lys absorberes nær overflaten eller når bare en del av prøveoverflaten er opplyst , så EMF oppstår på grunn av en økning i hastigheten på termisk bevegelse av elektroner under påvirkning av lys som faller på dem.

Fotovoltaiske effekter av den andre typen er assosiert med asymmetrien til de elementære prosessene for eksitasjon av ladningsbærere av lys, asymmetrien til deres spredning og rekombinasjon.

Effekter av denne typen vises uten ytterligere dannelse av par med motsatte ladningsbærere, de er forårsaket av overganger mellom bånd eller kan være relatert til eksitering av ladningsbærere av urenheter, i tillegg kan de være forårsaket av absorpsjon av lysenergi av gratis ladebærere.

Deretter, la oss se på mekanismene til fotovoltaiske effekter. Vi vil først se på solcelleeffekter av den første typen, og deretter rette oppmerksomheten mot effekten av den andre typen.

Tykkere effekt

Dember-effekten kan oppstå under jevn belysning av prøven, ganske enkelt på grunn av forskjellen i overflaterekombinasjonshastigheter på dens motsatte sider. Med ujevn belysning av prøven, er Dember-effekten forårsaket av forskjellen i diffusjonskoeffisientene (forskjell i mobilitet) til elektroner og hull.

Dember-effekten, initiert av pulserende belysning, brukes til å generere stråling i terahertz-området. Dember-effekten er mest uttalt i halvledere med høy elektronmobilitet og smale gap, som InSb og InAs.[banner_adsense]

Barrierefoto-EMF

Porten eller barrierefoto-EMF er et resultat av separasjon av elektroner og hull med et elektrisk felt av Schottky-barrieren i tilfelle av en metall-halvlederkontakt, så vel som feltet p-n-kryss eller heterojunction.

Strømmen her dannes av bevegelsen av både ladningsbærere som genereres direkte i området av pn-krysset, og de bærere som er opphisset i områdene nær elektroden og når området til det sterke feltet ved diffusjon.

Parseparasjon fremmer dannelsen av hullstrøm i p-regionen og elektronstrøm i n-regionen. Hvis kretsen er åpen, virker EMF i direkte retning for p-n-krysset, slik at handlingen kompenserer for det opprinnelige fenomenet.

Denne effekten er grunnlaget for funksjon solceller og svært følsomme strålingsdetektorer med lav respons.

Volumetrisk foto-EMF

Bulk foto-EMF, som navnet antyder, oppstår som et resultat av separasjon av par av ladningsbærere i hoveddelen av prøven ved inhomogeniteter assosiert med en endring i konsentrasjonen av dopemidlet eller med en endring i den kjemiske sammensetningen (hvis halvlederen er sammensatt).

Her er årsaken til separasjonen av parene den såkalte Et motelektrisk felt skapt av en endring i posisjonen til Fermi-nivået, som igjen avhenger av urenhetskonsentrasjonen. Eller, hvis vi snakker om en halvleder med en kompleks kjemisk sammensetning, oppstår splittingen av par fra en endring i båndbredden.

Fenomenet med utseendet til bulkfotoelektrikk er anvendelig for undersøkelse av halvledere for å bestemme graden av deres homogenitet. Prøvemotstanden er også relatert til inhomogeniteter.

Høyspent foto-EMF

Unormal (høyspent) foto-EMF oppstår når ujevn belysning forårsaker et elektrisk felt rettet langs overflaten av prøven. Størrelsen på den resulterende EMF vil være proporsjonal med lengden på det opplyste området og kan nå 1000 volt eller mer.

Mekanismen kan være forårsaket enten av Dember-effekten, hvis den diffuse strømmen har en overflaterettet komponent, eller ved dannelsen av en p-n-p-n-p struktur som stikker ut til overflaten. Den resulterende høyspennings-EMK er den totale EMF for hvert par av asymmetriske n-p- og p-n-kryss.

Fotoepizoelektrisk effekt

Den fotoepizoelektriske effekten er fenomenet med utseendet til en fotostrøm eller fotoemf under deformasjon av prøven. En av dens mekanismer er utseendet av bulk EMF under inhomogen deformasjon, noe som fører til en endring i parametrene til halvlederen.

En annen mekanisme for utseendet til fotoepisoelektrisk EMF er den tverrgående Dember EMF, som oppstår under enakset deformasjon, som forårsaker anisotropi av diffusjonskoeffisienten til ladningsbærere.

Sistnevnte mekanisme er mest effektiv i flerdals halvlederdeformasjoner, noe som fører til en omfordeling av bærere mellom daler.

Vi har sett på alle solcelleeffektene av den første typen, så skal vi se på effektene som tilskrives den andre typen.

Effekten av elektrontiltrekning av fotoner

Denne effekten er relatert til asymmetrien i fordelingen av fotoelektroner over momentumet oppnådd fra fotonene. I todimensjonale strukturer med optiske minibåndoverganger er den glidende fotostrømmen hovedsakelig forårsaket av elektronoverganger med en viss momentumretning og kan betydelig overstige den tilsvarende strømmen i bulkkrystaller.

Lineær fotovoltaisk effekt

Denne effekten skyldes den asymmetriske fordelingen av fotoelektroner i prøven. Her er asymmetrien dannet av to mekanismer, hvorav den første er ballistisk, relatert til retningsevnen til pulsen under kvanteovergangene, og den andre er skjærkraft, på grunn av forskyvningen av tyngdepunktet til bølgepakken av elektroner under kvanteovergangene.

Den lineære fotovoltaiske effekten er ikke relatert til overføringen av momentum fra fotoner til elektroner, og derfor, med en fast lineær polarisering, endres den ikke når lysets utbredelsesretning reverseres. Prosessene med lysabsorpsjon og spredning og rekombinasjon bidrar til at strøm (disse bidragene kompenseres ved termisk likevekt).

Denne effekten, brukt på dielektrikum, gjør det mulig å bruke mekanismen til optisk minne, fordi den fører til en endring i brytningsindeksen, som avhenger av intensiteten til lyset, og fortsetter selv etter at den er slått av.

Sirkulær fotovoltaisk effekt

Effekten oppstår når den belyses av elliptisk eller sirkulært polarisert lys fra gyrotrope krystaller. EMF reverserer tegnet når polarisasjonen endres. Årsaken til effekten ligger i forholdet mellom spinn og elektronmomentum, som er iboende i gyrotrope krystaller. Når elektroner eksiteres av sirkulært polarisert lys, er spinnene deres optisk orientert, og følgelig oppstår en retningsstrømpuls.

?

Tilstedeværelsen av den motsatte effekten kommer til uttrykk i utseendet til optisk aktivitet under påvirkning av en strøm: den overførte strømmen forårsaker orienteringen av spinnene i gyrotrope krystaller.

De tre siste effektene fungerer i treghetsmottakere. laserstråling.

Overflate fotovoltaisk effekt

Den fotovoltaiske overflateeffekten oppstår når lys reflekteres eller absorberes av frie ladningsbærere i metaller og halvledere på grunn av overføring av momentum fra fotoner til elektroner under skrå innfall av lys og også under normal innfall hvis normalen til overflaten av krystallen er forskjellig i retning fra en av de viktigste krystallaksene.

Effekten består i fenomenet spredning av lyseksiterte ladningsbærere på overflaten av prøven. Når det gjelder interband-absorpsjon, skjer det under forutsetning av at en betydelig del av de eksiterte bærerne når overflaten uten spredning.

Så når elektronene reflekteres fra overflaten, dannes det en ballistisk strøm, rettet vinkelrett på overflaten. Hvis elektronene ved eksitasjon ordner seg i treghet, kan det oppstå en strøm rettet langs overflaten.

Betingelsen for forekomsten av denne effekten er forskjellen i tegnet til komponentene som ikke er null i gjennomsnittsverdiene av momentum "mot overflaten" og "fra overflaten" for elektroner som beveger seg langs overflaten. Betingelsen oppfylles for eksempel i kubiske krystaller ved eksitasjon av ladningsbærere fra det degenererte valensbåndet til ledningsbåndet.

Ved diffus spredning av en overflate mister elektroner som når den komponenten av momentum langs overflaten, mens elektroner som beveger seg bort fra overflaten beholder den. Dette fører til at det vises en strøm på overflaten.