Fotovoltaický efekt a jeho odrody

Prvýkrát takzvaný fotovoltaický (alebo fotovoltaický) efekt pozoroval v roku 1839 francúzsky fyzik Alexandre Edmond Becquerel.

Pri pokusoch v laboratóriu svojho otca zistil, že osvetlením platinových platní ponorených do elektrolytického roztoku galvanometer pripojený k platniam indikoval prítomnosť elektromotorická sila... Čoskoro našiel devätnásťročný Edmund pre svoj objav užitočnú aplikáciu — vytvoril aktinograf — zariadenie na zaznamenávanie intenzity dopadajúceho svetla.

Dnes fotovoltaické efekty zahŕňajú celú skupinu javov, tak či onak, súvisiacich s výskytom elektrického prúdu v uzavretom obvode, ktorý zahŕňa osvetlenú polovodičovú alebo dielektrickú vzorku, alebo jav EMF na osvetlenej vzorke, ak vonkajší okruh je otvorený. V tomto prípade sa rozlišujú dva typy fotovoltaických efektov.

Prvý typ fotovoltaických efektov zahŕňa: vysoké elektrické foto-EMF, objemové foto-EMF, ventilové foto-EMF, ako aj fotoepizoelektrický efekt a Demberov efekt.

Medzi fotovoltaické efekty druhého typu patria: efekt unášania elektrónov fotónmi, ako aj plošné, kruhové a lineárne fotovoltaické efekty.

Účinky prvého a druhého typu

Fotovoltaické efekty prvého typu sú spôsobené procesom, pri ktorom svetelný efekt generuje mobilné nosiče elektrického náboja dvoch znakov — elektrónov a dier, čo vedie k ich separácii v priestore vzorky.

Možnosť separácie súvisí v tomto prípade buď s nehomogenitou vzorky (jej povrch možno považovať za nehomogenitu vzorky), alebo s nehomogenitou osvetlenia, keď je svetlo absorbované blízko povrchu, alebo keď len časť vzorky. povrch vzorky je osvetlený, takže EMF vzniká v dôsledku zvýšenia rýchlosti tepelného pohybu elektrónov pod vplyvom svetla, ktoré na ne dopadá.

Fotovoltaické efekty druhého typu sú spojené s asymetriou elementárnych procesov excitácie nosičov náboja svetlom, asymetriou ich rozptylu a rekombinácie.

Efekty tohto typu sa prejavujú bez dodatočnej tvorby párov opačných nosičov náboja, sú spôsobené medzipásmovými prechodmi alebo môžu súvisieť s excitáciou nosičov náboja nečistotami, navyše môžu byť spôsobené absorpciou svetelnej energie bezplatných poskytovateľov poplatkov.

Ďalej sa pozrime na mechanizmy fotovoltaických efektov. Najprv sa pozrieme na fotovoltaické efekty prvého typu, potom upriamime našu pozornosť na efekty druhého typu.

Hrubší efekt

Demberov efekt sa môže vyskytnúť pri rovnomernom osvetlení vzorky jednoducho kvôli rozdielu v rýchlostiach povrchovej rekombinácie na jej opačných stranách. Pri nerovnomernom osvetlení vzorky je Demberov efekt spôsobený rozdielom v difúznych koeficientoch (rozdiel v pohyblivosti) elektrónov a dier.

Demberov efekt, iniciovaný pulzným osvetlením, sa používa na generovanie žiarenia v rozsahu terahertzov. Demberov efekt je najvýraznejší v polovodičoch s úzkou medzerou s vysokou elektrónovou mobilitou, ako sú InSb a InAs.[banner_adsense]

Bariérové ​​foto-EMF

Foto-EMF brány alebo bariéry je výsledkom oddelenia elektrónov a dier elektrickým poľom Schottkyho bariéry v prípade kontaktu kov-polovodič, aj pole p-n-križovatka alebo heterojunkcie.

Prúd je tu tvorený pohybom oboch nosičov náboja generovaných priamo v oblasti pn-prechodu a tých nosičov, ktoré sú excitované v oblastiach blízko elektródy a difúziou sa dostanú do oblasti silného poľa.

Párová separácia podporuje tvorbu toku dier v oblasti p a toku elektrónov v oblasti n. Ak je obvod otvorený, potom EMF pôsobí v priamom smere pre p-n prechod, takže jeho pôsobenie kompenzuje pôvodný jav.

Tento efekt je základom fungovania solárne bunky a vysoko citlivé detektory žiarenia s nízkou odozvou.

Objemové foto-EMF

Hromadné foto-EMF, ako už názov napovedá, vzniká v dôsledku oddelenia párov nosičov náboja v objeme vzorky pri nehomogenitách spojených so zmenou koncentrácie dopantu alebo so zmenou chemického zloženia (ak polovodič je zlúčenina).

Tu je dôvodom oddelenia párov tzv Protielektrické pole vytvorené zmenou polohy Fermiho hladiny, ktorá zase závisí od koncentrácie nečistôt. Alebo, ak hovoríme o polovodiči s komplexným chemickým zložením, rozdelenie párov vyplýva zo zmeny šírky pásma.

Fenomén objavenia sa objemových fotoelektrík je použiteľný pri skúmaní polovodičov na určenie stupňa ich homogenity. Odolnosť vzorky tiež súvisí s nehomogenitami.

Vysokonapäťové foto-EMF

Abnormálne (vysoké napätie) foto-EMF nastane, keď nerovnomerné osvetlenie spôsobí elektrické pole nasmerované pozdĺž povrchu vzorky. Veľkosť výsledného EMF bude úmerná dĺžke osvetlenej oblasti a môže dosiahnuť 1000 voltov alebo viac.

Mechanizmus môže byť spôsobený buď Demberovým efektom, ak má difúzny prúd povrchovo smerovanú zložku, alebo vytvorením p-n-p-n-p štruktúry vyčnievajúcej na povrch. Výsledné vysokonapäťové EMF je celkové EMF každého páru asymetrických n-p a p-n prechodov.

Fotoepizoelektrický efekt

Fotoepizoelektrický efekt je jav objavenia sa fotoprúdu alebo fotoemf počas deformácie vzorky. Jedným z jeho mechanizmov je výskyt hromadného EMF počas nehomogénnej deformácie, čo vedie k zmene parametrov polovodiča.

Ďalším mechanizmom vzniku fotoepizoelektrického EMF je priečny Dember EMF, ktorý sa vyskytuje pri jednoosovej deformácii, ktorá spôsobuje anizotropiu difúzneho koeficientu nosičov náboja.

Posledný uvedený mechanizmus je najúčinnejší pri viacvalových deformáciách polovodičov, čo vedie k prerozdeleniu nosičov medzi údoliami.

Pozreli sme sa na všetky fotovoltaické efekty prvého typu, potom sa pozrieme na efekty pripisované druhému typu.

Účinok priťahovania elektrónov fotónmi

Tento efekt súvisí s asymetriou v distribúcii fotoelektrónov nad hybnosťou získanou z fotónov. V dvojrozmerných štruktúrach s optickými minipásmovými prechodmi je posuvný fotoprúd spôsobený hlavne prechodmi elektrónov s určitým smerom hybnosti a môže výrazne prekročiť zodpovedajúci prúd v objemových kryštáloch.

Lineárny fotovoltaický efekt

Tento efekt je spôsobený asymetrickým rozložením fotoelektrónov vo vzorke. Asymetria je tu tvorená dvoma mechanizmami, z ktorých prvý je balistický, súvisiaci so smerovosťou impulzu počas kvantových prechodov, a druhý je šmykový, v dôsledku posunu ťažiska vlnového balíka elektrónov počas kvantové prechody.

Lineárny fotovoltaický efekt nesúvisí s prenosom hybnosti z fotónov na elektróny, preto sa pri fixnej ​​lineárnej polarizácii pri obrátení smeru šírenia svetla nemení.Procesy absorpcie a rozptylu svetla a rekombinácie prispievajú k tzv. prúdu (tieto príspevky sú kompenzované pri tepelnej rovnováhe).

Tento efekt aplikovaný na dielektrikum umožňuje aplikovať mechanizmus optickej pamäte, pretože vedie k zmene indexu lomu, ktorý závisí od intenzity svetla a pokračuje aj po jeho vypnutí.

Kruhový fotovoltaický efekt

Efekt nastáva pri osvetlení elipticky alebo kruhovo polarizovaným svetlom z gyrotropných kryštálov. EMF obráti znamienko, keď sa zmení polarizácia. Dôvod tohto efektu spočíva vo vzťahu medzi spinom a hybnosťou elektrónov, ktorý je vlastný gyrotropným kryštálom. Keď sú elektróny excitované kruhovo polarizovaným svetlom, ich spiny sú opticky orientované a podľa toho dochádza k smerovému prúdovému impulzu.

?

Prítomnosť opačného účinku je vyjadrená vo výskyte optickej aktivity pri pôsobení prúdu: prenášaný prúd spôsobuje orientáciu spinov v gyrotropných kryštáloch.

Posledné tri efekty slúžia v inerciálnych prijímačoch. laserové žiarenie.

Povrchový fotovoltaický efekt

Povrchový fotovoltaický efekt nastáva pri odraze alebo pohltení svetla voľnými nosičmi náboja v kovoch a polovodičoch v dôsledku prenosu hybnosti z fotónov na elektróny pri šikmom dopade svetla a tiež pri kolmom dopade, ak sa kolmica k povrchu kryštálu líši v smerom od jednej z hlavných kryštálových osí.

Účinok spočíva v fenoméne rozptylu svetlom excitovaných nosičov náboja na povrchu vzorky. V prípade medzipásmovej absorpcie k nej dochádza za podmienky, že značná časť excitovaných nosičov dosiahne povrch bez rozptylu.

Takže keď sa elektróny odrazia od povrchu, vytvorí sa balistický prúd smerujúci kolmo na povrch. Ak sa pri excitácii elektróny zotrvačne usporiadajú, môže sa objaviť prúd smerujúci pozdĺž povrchu.

Podmienkou vzniku tohto efektu je rozdiel v znamienku nenulových zložiek priemerných hodnôt hybnosti „smerom k povrchu“ a „od povrchu“ pre elektróny pohybujúce sa po povrchu. Podmienka je splnená napríklad v kubických kryštáloch pri excitácii nosičov náboja z degenerovaného valenčného pásu do vodivého pásu.

Pri difúznom rozptyle povrchom strácajú elektróny, ktoré sa k nemu dostanú, zložku hybnosti pozdĺž povrchu, zatiaľ čo elektróny pohybujúce sa od povrchu si ju zachovávajú. To vedie k vzhľadu prúdu na povrchu.