Fotovoltaický efekt a jeho varianty

Poprvé byl takzvaný fotovoltaický (neboli fotovoltaický) efekt pozorován v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem.

Při experimentech v laboratoři svého otce zjistil, že osvícením platinových desek ponořených do elektrolytického roztoku galvanometr připojený k deskám indikoval přítomnost elektromotorická síla… Brzy našel devatenáctiletý Edmund užitečné uplatnění pro svůj objev — vytvořil aktinograf — zařízení pro záznam intenzity dopadajícího světla.

Fotovoltaické jevy dnes zahrnují celou skupinu jevů, tak či onak, souvisejících s výskytem elektrického proudu v uzavřeném obvodu, který zahrnuje osvětlený polovodičový nebo dielektrický vzorek, nebo jev EMF na osvětleném vzorku, pokud vnější okruh je otevřený. V tomto případě se rozlišují dva typy fotovoltaických efektů.

První typ fotovoltaických efektů zahrnuje: vysoké elektrické foto-EMF, objemové foto-EMF, ventilové foto-EMF, stejně jako fotoepizoelektrický efekt a Demberův efekt.

Mezi fotovoltaické efekty druhého typu patří: efekt strhávání elektronů fotony, dále plošné, kruhové a lineární fotovoltaické efekty.

Účinky prvního a druhého typu

Fotovoltaické efekty prvního typu jsou způsobeny procesem, kdy světelný efekt generuje mobilní nosiče elektrického náboje dvou znaků — elektronů a děr, což vede k jejich oddělení v prostoru vzorku.

Možnost separace souvisí v tomto případě buď s nehomogenitou vzorku (jeho povrch lze považovat za nehomogenitu vzorku), nebo s nehomogenitou osvětlení, když je světlo absorbováno blízko povrchu nebo když pouze část vzorku. povrch vzorku je osvětlen, takže EMF vzniká v důsledku zvýšení rychlosti tepelného pohybu elektronů pod vlivem světla dopadajícího na ně.

Fotovoltaické efekty druhého typu jsou spojeny s asymetrií elementárních procesů buzení nosičů náboje světlem, asymetrií jejich rozptylu a rekombinace.

Efekty tohoto typu se objevují bez dodatečného vytváření párů opačných nosičů náboje, jsou způsobeny mezipásmovými přechody nebo mohou souviset s buzením nosičů náboje nečistotami, navíc mohou být způsobeny absorpcí světelné energie bezplatné nosiče poplatků.

Dále se podívejme na mechanismy fotovoltaických efektů. Nejprve se podíváme na fotovoltaické efekty prvního typu, poté se zaměříme na efekty druhého typu.

Silnější efekt

Demberův efekt může nastat při rovnoměrném osvětlení vzorku jednoduše kvůli rozdílu v rychlostech povrchové rekombinace na jeho opačných stranách. Při nerovnoměrném osvětlení vzorku je Demberův efekt způsoben rozdílem v difúzních koeficientech (rozdíl v pohyblivosti) elektronů a děr.

Demberův efekt, iniciovaný pulzním osvětlením, se používá ke generování záření v rozsahu terahertzů. Demberův efekt je nejvýraznější u vysokoelektronových polovodičů s úzkou mezerou, jako jsou InSb a InAs.[banner_adsense]

Bariérové ​​foto-EMF

Foto-EMF brány nebo bariéry je výsledkem oddělení elektronů a děr elektrickým polem Schottkyho bariéry v případě kontaktu kov-polovodič i pole p-n-křižovatka nebo heteropřechod.

Proud zde vzniká pohybem jak nosičů náboje přímo generovaných v oblasti pn-přechodu, tak těch nosičů, které jsou excitovány v oblastech blízko elektrody a difúzí se dostávají do oblasti silného pole.

Párová separace podporuje tvorbu toku děr v oblasti p a toku elektronů v oblasti n. Pokud je obvod otevřený, pak EMF působí v přímém směru pro p-n přechod, takže jeho působení kompenzuje původní jev.

Tento efekt je základem fungování solární články a vysoce citlivé detektory záření s nízkou odezvou.

Objemové foto-EMF

Bulk photo-EMF, jak již název napovídá, vzniká v důsledku separace párů nosičů náboje v objemu vzorku při nehomogenitách spojených se změnou koncentrace dopantu nebo se změnou chemického složení (pokud polovodič je složený).

Zde je důvodem oddělení párů tzv Protielektrické pole vytvořené změnou polohy Fermiho hladiny, která zase závisí na koncentraci nečistot. Nebo, pokud mluvíme o polovodiči se složitým chemickým složením, rozdělení párů vyplývá ze změny šířky pásma.

Fenomén vzniku objemových fotoelektrik je použitelný pro sondování polovodičů pro stanovení stupně jejich homogenity. S nehomogenitami souvisí i odolnost vzorku.

Vysokonapěťové foto-EMF

Abnormální (vysokonapěťové) foto-EMF nastane, když nerovnoměrné osvětlení způsobí elektrické pole nasměrované podél povrchu vzorku. Velikost výsledného EMF bude úměrná délce osvětlené oblasti a může dosáhnout 1000 voltů nebo více.

Mechanismus může být způsoben buď Demberovým efektem, pokud má difúzní proud povrchově orientovanou složku, nebo vytvořením p-n-p-n-p struktury vyčnívající na povrch. Výsledné vysokonapěťové EMF je celkové EMF každého páru asymetrických n-p a p-n přechodů.

Fotoepizoelektrický jev

Fotoepizoelektrický jev je jev vzniku fotoproudu nebo fotoemf během deformace vzorku. Jedním z jeho mechanismů je vznik hromadného EMF při nehomogenní deformaci, vedoucí ke změně parametrů polovodiče.

Dalším mechanismem vzniku fotoepizoelektrického EMF je příčné Dember EMF, ke kterému dochází při jednoosé deformaci, která způsobuje anizotropii difúzního koeficientu nosičů náboje.

Posledně jmenovaný mechanismus je nejúčinnější u víceúhelných polovodičových deformací, což vede k redistribuci nosičů mezi údolími.

Podívali jsme se na všechny fotovoltaické efekty prvního typu, poté se podíváme na efekty připisované druhému typu.

Vliv přitahování elektronů fotony

Tento efekt souvisí s asymetrií v rozložení fotoelektronů na hybnosti získané z fotonů. Ve dvourozměrných strukturách s optickými minipásmovými přechody je posuvný fotoproud způsoben především přechody elektronů s určitým směrem hybnosti a může výrazně překročit odpovídající proud v objemových krystalech.

Lineární fotovoltaický efekt

Tento efekt je způsoben asymetrickou distribucí fotoelektronů ve vzorku. Asymetrii zde tvoří dva mechanismy, z nichž první je balistický, souvisí se směrovostí pulsu při kvantových přechodech, a druhý je smykový, v důsledku posunu těžiště vlnového balíčku elektronů během kvantové přechody.

Lineární fotovoltaický jev nesouvisí s přenosem hybnosti z fotonů na elektrony, proto se při pevné lineární polarizaci při obráceném směru šíření světla nemění.Procesy absorpce a rozptylu světla a rekombinace přispívají k tzv. proudu (tyto příspěvky jsou kompenzovány při tepelné rovnováze).

Tento efekt aplikovaný na dielektrika umožňuje uplatnit mechanismus optické paměti, protože vede ke změně indexu lomu, který závisí na intenzitě světla a pokračuje i po jeho vypnutí.

Kruhový fotovoltaický efekt

Efekt nastává při osvětlení elipticky nebo kruhově polarizovaným světlem z gyrotropních krystalů. EMF obrátí znaménko, když se změní polarizace. Důvod tohoto efektu spočívá ve vztahu mezi spinem a hybností elektronů, který je vlastní gyrotropním krystalům. Když jsou elektrony excitovány kruhově polarizovaným světlem, jejich spiny jsou opticky orientovány a podle toho dochází ke směrovému proudovému pulzu.

?

Přítomnost opačného účinku je vyjádřena ve vzhledu optické aktivity při působení proudu: přenášený proud způsobuje orientaci rotací v gyrotropních krystalech.

Poslední tři efekty slouží v inerciálních přijímačích. laserové záření.

Povrchový fotovoltaický efekt

K povrchovému fotovoltaickému jevu dochází při odrazu nebo pohlcení světla volnými nosiči náboje v kovech a polovodičích v důsledku přenosu hybnosti z fotonů na elektrony při šikmém dopadu světla a také při kolmém dopadu, pokud se normála k povrchu krystalu liší v směrem od jedné z hlavních krystalových os.

Efekt spočívá v jevu rozptylu světlem vybuzených nosičů náboje na povrchu vzorku. V případě mezipásmové absorpce k ní dochází za podmínky, že značná část excitovaných nosičů dosáhne povrchu bez rozptylu.

Takže když se elektrony odrazí od povrchu, vytvoří se balistický proud směřující kolmo k povrchu. Pokud se při excitaci elektrony uspořádají do setrvačnosti, může se objevit proud směřující podél povrchu.

Podmínkou pro vznik tohoto efektu je rozdíl ve znaménku nenulových složek průměrných hodnot hybnosti „směrem k povrchu“ a „od povrchu“ pro elektrony pohybující se po povrchu. Podmínka je splněna např. u kubických krystalů při excitaci nosičů náboje z pásu degenerované valence do pásu vodivosti.

Při difúzním rozptylu povrchem ztrácejí elektrony, které k němu dosáhnou, složku hybnosti podél povrchu, zatímco elektrony pohybující se od povrchu ji zadržují. To vede ke vzniku proudu na povrchu.