A fotovoltaikus hatás és fajtái

Az úgynevezett fotovoltaikus (vagy fotovoltaikus) hatást 1839-ben először Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus figyelte meg.

Apja laboratóriumában kísérletezve felfedezte, hogy elektrolitikus oldatba merített platinalemezek megvilágításával a lemezekhez csatlakoztatott galvanométer jelezte a elektromos erő… A tizenkilenc éves Edmund hamarosan hasznos alkalmazást talált felfedezéséhez – alkotott egy aktinográfot – a beeső fény intenzitásának rögzítésére szolgáló eszközt.

Napjainkban a fotovoltaikus hatások olyan jelenségek egész csoportját foglalják magukban, amelyek így vagy úgy kapcsolódnak az elektromos áram megjelenéséhez egy zárt áramkörben, amely magában foglalja a megvilágított félvezető vagy dielektromos mintát, vagy az EMF jelenséget egy megvilágított mintán, ha a külső áramkör szakadt. Ebben az esetben kétféle fotovoltaikus hatást különböztetünk meg.

Az első típusú fotovoltaikus effektusok közé tartozik: nagy elektromos foto-EMF, térfogatú foto-EMF, szelepes foto-EMF, valamint a fotoepizoelektromos effektus és a Dember-effektus.

A második típusú fotovoltaikus hatások a következők: az elektronok fotonok általi bevonásának hatása, valamint a felületi, körkörös és lineáris fotovoltaikus hatások.

Az első és a második típus hatásai

Az első típusú fotovoltaikus hatásokat egy olyan folyamat okozza, amelyben a fényhatás két karakterű mobil elektromos töltéshordozókat hoz létre - elektronokat és lyukakat, ami a minta terében elkülönüléséhez vezet.

Az elválasztás lehetősége ebben az esetben vagy a minta inhomogenitásával függ össze (a felülete a minta inhomogenitásának tekinthető), vagy a megvilágítás inhomogenitásával, amikor a fény a felülethez közel nyelődik el, vagy ha a fénynek csak egy része. A minta felülete meg van világítva, így az EMF az elektronok hőmozgási sebességének növekedése miatt keletkezik a rájuk eső fény hatására.

A második típusú fotovoltaikus hatások a töltéshordozók fénnyel való gerjesztésének elemi folyamatainak aszimmetriájához, szóródásuk és rekombinációjuk aszimmetriájához kapcsolódnak.

Az ilyen típusú hatások ellentétes töltéshordozó párok további kialakulása nélkül jelentkeznek, sávközi átmenetek okozzák, vagy összefüggésbe hozhatók a töltéshordozók szennyeződések általi gerjesztésével, továbbá előidézhetik a fényenergia elnyelését a töltéshordozók által. ingyenes töltéshordozók.

Ezután nézzük meg a fotovoltaikus hatások mechanizmusait. Először az első típus fotovoltaikus hatásait nézzük meg, majd a második típus hatásaira fordítjuk figyelmünket.

Vastagabb hatás

A Dember-effektus a minta egyenletes megvilágítása mellett is létrejöhet, pusztán az ellentétes oldalak felületi rekombinációs sebességének különbsége miatt. A minta egyenetlen megvilágítása esetén a Dember-effektust az elektronok és lyukak diffúziós együtthatóinak (mobilitásbeli különbségének) különbsége okozza.

A pulzáló megvilágítás által kiváltott Dember-effektus a terahertz tartományú sugárzás generálására szolgál. A Dember-effektus leginkább a nagy elektronmobilitású, keskeny résű félvezetőknél jelentkezik, mint például az InSb és az InAs.[banner_adsense]

Gátfotó-EMF

A kapu vagy gát foto-EMF az elektronok és a lyukak elektromos tér általi elválasztásából származik a Schottky-sorompóról fém-félvezető érintkező esetén, valamint a mező p-n-elágazás vagy heterojunkció.

Az áram itt mind a közvetlenül a pn-átmenet tartományában keletkezett, mind az elektródához közeli tartományokban gerjesztett és diffúzióval az erős tér tartományába jutó töltéshordozók mozgása révén jön létre.

A párszétválasztás elősegíti a lyukáramlás kialakulását a p tartományban és az elektronáramlás kialakulását az n tartományban. Ha az áramkör szakadt, akkor az EMF a p-n átmenetre közvetlen irányba hat, így hatása kompenzálja az eredeti jelenséget.

Ez a hatás a működés alapja napelemek és nagyon érzékeny sugárzásérzékelők alacsony válaszjellel.

Volumetrikus fotó-EMF

A tömeges foto-EMF, ahogy a neve is sugallja, a töltéshordozó párok szétválása eredményeként jön létre a minta nagy részében az adalékanyag koncentrációjának változásával vagy a kémiai összetétel változásával összefüggő inhomogenitás esetén (ha a félvezető összetett).

Itt a párok szétválásának oka az ún A Fermi-szint helyzetének megváltozásával létrejövő ellenelektromos tér, amely viszont a szennyeződés koncentrációjától függ. Vagy ha összetett kémiai összetételű félvezetőről beszélünk, akkor a párok szétválása a sávszélesség változásából adódik.

Az ömlesztett fotoelektromos elemek megjelenésének jelensége alkalmazható a félvezetők szondázására, hogy meghatározzuk homogenitásuk mértékét. A minta ellenállása az inhomogenitásokkal is összefügg.

Nagyfeszültségű fotó-EMF

Abnormális (nagyfeszültségű) foto-EMF akkor fordul elő, ha az egyenetlen megvilágítás a minta felülete mentén irányított elektromos mezőt idéz elő. A létrejövő EMF nagysága arányos a megvilágított terület hosszával, és elérheti az 1000 voltot vagy többet.

A mechanizmust vagy a Dember-effektus okozhatja, ha a diffúz áramnak felületirányított komponense van, vagy a felületre kinyúló p-n-p-n-p szerkezet kialakulása. Az így kapott nagyfeszültségű EMF az egyes aszimmetrikus n-p és p-n átmenetpárok teljes EMF-je.

Fotoepizoelektromos hatás

A fotoepizoelektromos hatás az a jelenség, amikor a minta deformációja során fotoáram vagy fotoemf jelenik meg. Egyik mechanizmusa a tömeges EMF megjelenése inhomogén deformáció során, ami a félvezető paramétereinek megváltozásához vezet.

A fotoepizoelektromos EMF megjelenésének másik mechanizmusa a transzverzális Dember EMF, amely egytengelyű deformáció alatt fordul elő, ami a töltéshordozók diffúziós együtthatójának anizotrópiáját okozza.

Ez utóbbi mechanizmus a leghatékonyabb többvölgyes félvezető deformációk esetén, ami a hordozók völgyek közötti újraelosztásához vezet.

Megvizsgáltuk az első típus összes fotovoltaikus hatását, majd a második típusnak tulajdonított hatásokat.

A fotonok elektronvonzásának hatása

Ez a hatás a fotoelektronok fotonokból nyert impulzus feletti eloszlásának aszimmetriájával függ össze. Az optikai minisávos átmenetekkel rendelkező kétdimenziós struktúrákban a csúszó fotoáramot elsősorban bizonyos impulzus irányú elektronátmenetek okozzák, és jelentősen meghaladhatja az ömlesztett kristályok megfelelő áramát.

Lineáris fotovoltaikus hatás

Ez a hatás a mintában lévő fotoelektronok aszimmetrikus eloszlásának köszönhető. Itt az aszimmetriát két mechanizmus alakítja ki, amelyek közül az első ballisztikus, az impulzus irányultságával kapcsolatos a kvantumátmenetek során, a második pedig a nyírás, az elektronok hullámcsomagjának súlypontjának eltolódása miatt. a kvantumátmenetek.

A lineáris fotovoltaikus hatás nem kapcsolódik a fotonokról az elektronokra történő impulzus átvitelhez, ezért rögzített lineáris polarizáció mellett a fényterjedés irányának megfordításával nem változik. áram (ezek a hozzájárulások a termikus egyensúlyban kompenzálódnak).

Ez a dielektrikumokra alkalmazott hatás lehetővé teszi az optikai memória mechanizmusának alkalmazását, mert a törésmutató változásához vezet, ami a fény intenzitásától függ, és kikapcsolás után is folytatódik.

Körkörös fotovoltaikus hatás

A hatás akkor jelentkezik, ha girotróp kristályokból származó elliptikusan vagy körkörösen polarizált fénnyel világítják meg. Az EMF megfordítja az előjelet, ha a polarizáció megváltozik. A hatás oka a spin és az elektronmomentum kapcsolatában rejlik, ami a girotróp kristályok velejárója. Ha az elektronokat körkörösen polarizált fénnyel gerjesztjük, spinjeik optikailag orientáltak, és ennek megfelelően egy irányított áramimpulzus lép fel.

?

Az ellenkező hatás jelenléte az optikai aktivitás megjelenésében fejeződik ki egy áram hatására: az átvitt áram a girotróp kristályokban a spinek orientációját okozza.

Az utolsó három hatás az inerciális vevőkben szolgál. lézersugárzás.

Felületi fotovoltaikus hatás

A felületi fotovoltaikus hatás akkor lép fel, amikor a fényt a fémekben és félvezetőkben lévő szabad töltéshordozók visszaverik vagy elnyelik a fény ferde beesése során a fotonokról az elektronokra történő lendületátvitel következtében, valamint normál beeséskor is, ha a kristály felületének normálisa eltér irányt az egyik fő kristálytengelytől.

A hatás a fénnyel gerjesztett töltéshordozók szóródásának jelenségéből áll a minta felületén. Sávközi abszorpció esetén ez azzal a feltétellel történik, hogy a gerjesztett hordozók jelentős része szóródás nélkül éri el a felszínt.

Tehát amikor az elektronok visszaverődnek a felületről, ballisztikus áram keletkezik, amely merőleges a felületre. Ha gerjesztéskor az elektronok tehetetlenségben rendeződnek, akkor a felület mentén áramló áram jelenhet meg.

Ennek a hatásnak a feltétele a felület mentén mozgó elektronok "felszín felé" és "felszínről" átlagos impulzusértékeinek nullától eltérő összetevőinek előjelének különbsége. A feltétel például a köbös kristályoknál teljesül, ha a töltéshordozókat a degenerált vegyértéksávból a vezetési sávba gerjesztik.

A felület általi diffúz szórás során az azt elérő elektronok elvesztik a felület mentén a lendület komponensét, míg a felülettől távolodó elektronok megtartják azt. Ez áram megjelenéséhez vezet a felületen.