Φωτοβολταϊκό φαινόμενο και οι ποικιλίες του

Για πρώτη φορά, το λεγόμενο φωτοβολταϊκό (ή φωτοβολταϊκό) φαινόμενο παρατηρήθηκε το 1839 από τον Γάλλο φυσικό Alexandre Edmond Becquerel.

Πειραματιζόμενος στο εργαστήριο του πατέρα του, ανακάλυψε ότι φωτίζοντας πλάκες πλατίνας βυθισμένες σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα, ένα γαλβανόμετρο συνδεδεμένο με τις πλάκες έδειξε την παρουσία ηλεκτροκινητική δύναμη… Σύντομα ο δεκαεννιάχρονος Έντμουντ βρήκε μια χρήσιμη εφαρμογή για την ανακάλυψή του - δημιούργησε έναν ακτινογράφο - μια συσκευή για την καταγραφή της έντασης του προσπίπτοντος φωτός.

Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα περιλαμβάνουν μια ολόκληρη ομάδα φαινομένων, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, που σχετίζονται με την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα, το οποίο περιλαμβάνει έναν φωτισμένο ημιαγωγό ή διηλεκτρικό δείγμα, ή το φαινόμενο EMF σε ένα φωτισμένο δείγμα, εάν το εξωτερικό κύκλωμα είναι ανοιχτό. Στην περίπτωση αυτή διακρίνονται δύο είδη φωτοβολταϊκών φαινομένων.

Ο πρώτος τύπος φωτοβολταϊκών εφέ περιλαμβάνουν: φωτο-EMF υψηλής ηλεκτρικής ενέργειας, φωτο-EMF όγκου, φωτο-EMF βαλβίδας, καθώς και το φωτοεπιζοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο Dember.

Τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα του δεύτερου τύπου περιλαμβάνουν: την επίδραση της παρασύρσεως ηλεκτρονίων από φωτόνια, καθώς και επιφανειακά, κυκλικά και γραμμικά φωτοβολταϊκά φαινόμενα.

Επιδράσεις πρώτου και δεύτερου τύπου

Τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα του πρώτου τύπου προκαλούνται από μια διαδικασία κατά την οποία ένα φαινόμενο φωτός δημιουργεί κινητούς φορείς ηλεκτρικού φορτίου δύο χαρακτήρων - ηλεκτρονίων και οπών, που οδηγεί στον διαχωρισμό τους στο χώρο του δείγματος.

Η πιθανότητα διαχωρισμού σχετίζεται στην περίπτωση αυτή είτε με την ανομοιογένεια του δείγματος (η επιφάνειά του μπορεί να θεωρηθεί ως ανομοιογένεια του δείγματος) είτε με την ανομοιογένεια του φωτισμού όταν το φως απορροφάται κοντά στην επιφάνεια ή όταν μόνο μέρος του Η επιφάνεια του δείγματος φωτίζεται, επομένως το EMF προκύπτει λόγω της αύξησης της ταχύτητας της θερμικής κίνησης των ηλεκτρονίων υπό την επίδραση του φωτός που πέφτει πάνω τους.

Τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα του δεύτερου τύπου συνδέονται με την ασυμμετρία των στοιχειωδών διεργασιών διέγερσης των φορέων φορτίου από το φως, την ασυμμετρία της σκέδασης και του ανασυνδυασμού τους.

Επιδράσεις αυτού του τύπου εμφανίζονται χωρίς τον πρόσθετο σχηματισμό ζευγών αντίθετων φορέων φορτίου, προκαλούνται από μεταπτώσεις μεταξύ των ζωνών ή μπορεί να σχετίζονται με τη διέγερση φορέων φορτίου από ακαθαρσίες, επιπλέον, μπορούν να προκληθούν από την απορρόφηση φωτεινής ενέργειας από το δωρεάν μεταφορείς χρέωσης.

Στη συνέχεια, ας δούμε τους μηχανισμούς των φωτοβολταϊκών φαινομένων. Θα δούμε πρώτα τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα του πρώτου τύπου και μετά θα στρέψουμε την προσοχή μας στα αποτελέσματα του δεύτερου τύπου.

Πιο παχύρρευστο αποτέλεσμα

Το φαινόμενο Dember μπορεί να συμβεί κάτω από ομοιόμορφο φωτισμό του δείγματος, απλώς και μόνο λόγω της διαφοράς στους ρυθμούς ανασυνδυασμού της επιφάνειας στις απέναντι πλευρές του. Με ανομοιόμορφο φωτισμό του δείγματος, το φαινόμενο Dember προκαλείται από τη διαφορά στους συντελεστές διάχυσης (διαφορά στην κινητικότητα) των ηλεκτρονίων και των οπών.

Το φαινόμενο Dember, που εκκινείται από παλμικό φωτισμό, χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ακτινοβολίας στην περιοχή των terahertz. Το φαινόμενο Dember είναι πιο έντονο σε ημιαγωγούς υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων, στενού διακένου όπως InSb και InAs.[banner_adsense]

Φωτοφράγμα-EMF

Η πύλη ή το φράγμα photo-EMF προκύπτει από το διαχωρισμό ηλεκτρονίων και οπών από ένα ηλεκτρικό πεδίο του φράγματος Schottky στην περίπτωση επαφής μετάλλου-ημιαγωγού, καθώς και του πεδίου p-n-διασταύρωση ή ετεροσύνδεση.

Το ρεύμα εδώ σχηματίζεται από την κίνηση και των δύο φορέων φορτίου που δημιουργούνται άμεσα στην περιοχή της σύνδεσης pn και εκείνων των φορέων που διεγείρονται στις περιοχές κοντά στο ηλεκτρόδιο και φτάνουν στην περιοχή του ισχυρού πεδίου με διάχυση.

Ο διαχωρισμός ζευγών προάγει το σχηματισμό ροής οπών στην περιοχή p και ροή ηλεκτρονίων στην περιοχή n. Εάν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, τότε το EMF ενεργεί προς την άμεση κατεύθυνση για τη διασταύρωση p-n, οπότε η δράση του αντισταθμίζει το αρχικό φαινόμενο.

Αυτό το αποτέλεσμα είναι η βάση της λειτουργίας ηλιακά κύτταρα και ανιχνευτές ακτινοβολίας υψηλής ευαισθησίας με χαμηλή απόκριση.

Ογκομετρική φωτο-EMF

Το μαζικό φωτο-EMF, όπως υποδηλώνει το όνομά του, προκύπτει ως αποτέλεσμα του διαχωρισμού ζευγών φορέων φορτίου στο μεγαλύτερο μέρος του δείγματος σε ανομοιογένειες που σχετίζονται με αλλαγή στη συγκέντρωση του προσμίκτη ή με αλλαγή στη χημική σύνθεση (εάν ο ημιαγωγός είναι σύνθετος).

Εδώ ο λόγος του χωρισμού των ζευγαριών είναι το λεγόμενο Ένα αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από μια αλλαγή στη θέση του επιπέδου Fermi, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τη συγκέντρωση της ακαθαρσίας. Ή, αν μιλάμε για ημιαγωγό με πολύπλοκη χημική σύσταση, η διάσπαση των ζευγών προκύπτει από μια αλλαγή στο πλάτος της ζώνης.

Το φαινόμενο της εμφάνισης χύδην φωτοηλεκτρικών είναι εφαρμόσιμο στην ανίχνευση ημιαγωγών για τον προσδιορισμό του βαθμού ομοιογένειάς τους. Η αντίσταση του δείγματος σχετίζεται επίσης με ανομοιογένειες.

Υψηλής τάσης φωτο-EMF

Το μη φυσιολογικό (υψηλής τάσης) φωτο-EMF εμφανίζεται όταν ο μη ομοιόμορφος φωτισμός προκαλεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που κατευθύνεται κατά μήκος της επιφάνειας του δείγματος. Το μέγεθος του προκύπτοντος EMF θα είναι ανάλογο με το μήκος της φωτισμένης περιοχής και μπορεί να φτάσει τα 1000 volt ή περισσότερο.

Ο μηχανισμός μπορεί να προκληθεί είτε από το φαινόμενο Dember, εάν το διάχυτο ρεύμα έχει μια επιφανειακά κατευθυνόμενη συνιστώσα, είτε από το σχηματισμό μιας δομής p-n-p-n-p που προβάλλει στην επιφάνεια. Το EMF υψηλής τάσης που προκύπτει είναι το συνολικό EMF κάθε ζεύγους ασύμμετρων κόμβων n-p και p-n.

Φωτοεπιζοηλεκτρικό φαινόμενο

Το φωτοεπιζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εμφάνισης φωτορεύματος ή φωτοεμφ κατά την παραμόρφωση του δείγματος. Ένας από τους μηχανισμούς του είναι η εμφάνιση χύμα EMF κατά τη διάρκεια ανομοιογενούς παραμόρφωσης, που οδηγεί σε αλλαγή των παραμέτρων του ημιαγωγού.

Ένας άλλος μηχανισμός για την εμφάνιση του φωτοεπισοηλεκτρικού EMF είναι το εγκάρσιο EMF Dember, το οποίο εμφανίζεται υπό μονοαξονική παραμόρφωση, η οποία προκαλεί ανισοτροπία του συντελεστή διάχυσης των φορέων φορτίου.

Ο τελευταίος μηχανισμός είναι πιο αποτελεσματικός σε παραμορφώσεις ημιαγωγών πολλαπλών κοιλάδων, οδηγώντας σε ανακατανομή των φορέων μεταξύ κοιλάδων.

Εξετάσαμε όλα τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα του πρώτου τύπου και μετά θα δούμε τα φαινόμενα που αποδίδονται στον δεύτερο τύπο.

Η επίδραση της έλξης ηλεκτρονίων από φωτόνια

Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται με την ασυμμετρία στην κατανομή των φωτοηλεκτρονίων στην ορμή που λαμβάνεται από τα φωτόνια. Σε δισδιάστατες δομές με οπτικές μεταπτώσεις μίνι ζώνης, το ολισθαίνον φωτορεύμα προκαλείται κυρίως από μεταβάσεις ηλεκτρονίων με μια ορισμένη κατεύθυνση ορμής και μπορεί να υπερβεί σημαντικά το αντίστοιχο ρεύμα στους χύδην κρυστάλλους.

Γραμμικό φωτοβολταϊκό φαινόμενο

Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στην ασύμμετρη κατανομή των φωτοηλεκτρονίων στο δείγμα. Εδώ, η ασυμμετρία σχηματίζεται από δύο μηχανισμούς, ο πρώτος από τους οποίους είναι βαλλιστικός, που σχετίζεται με την κατευθυντικότητα του παλμού κατά τις κβαντικές μεταβάσεις και ο δεύτερος είναι διάτμηση, λόγω της μετατόπισης του κέντρου βάρους του πακέτου κύματος των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια τις κβαντικές μεταβάσεις.

Το γραμμικό φωτοβολταϊκό φαινόμενο δεν σχετίζεται με τη μεταφορά της ορμής από τα φωτόνια στα ηλεκτρόνια, επομένως, με σταθερή γραμμική πόλωση, δεν αλλάζει όταν αντιστρέφεται η κατεύθυνση διάδοσης του φωτός. ρεύμα (οι εισφορές αυτές αντισταθμίζονται σε θερμική ισορροπία).

Αυτό το φαινόμενο, που εφαρμόζεται στα διηλεκτρικά, καθιστά δυνατή την εφαρμογή του μηχανισμού της οπτικής μνήμης, επειδή οδηγεί σε αλλαγή του δείκτη διάθλασης, που εξαρτάται από την ένταση του φωτός, και συνεχίζεται ακόμη και μετά την απενεργοποίησή του.

Κυκλικό φωτοβολταϊκό φαινόμενο

Το αποτέλεσμα εμφανίζεται όταν φωτίζεται από ελλειπτικά ή κυκλικά πολωμένο φως από γυροτροπικούς κρυστάλλους. Το EMF αντιστρέφει το πρόσημο όταν αλλάζει η πόλωση. Ο λόγος για το αποτέλεσμα έγκειται στη σχέση μεταξύ σπιν και ορμής ηλεκτρονίων, η οποία είναι εγγενής στους γυροτροπικούς κρυστάλλους. Όταν τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από το κυκλικά πολωμένο φως, τα σπιν τους είναι οπτικά προσανατολισμένα και κατά συνέπεια εμφανίζεται ένας κατευθυντικός παλμός ρεύματος.

?

Η παρουσία του αντίθετου αποτελέσματος εκφράζεται στην εμφάνιση οπτικής δραστηριότητας υπό τη δράση ενός ρεύματος: το εκπεμπόμενο ρεύμα προκαλεί τον προσανατολισμό των σπιν σε γυροτροπικούς κρυστάλλους.

Τα τρία τελευταία εφέ εξυπηρετούν σε αδρανειακούς δέκτες. ακτινοβολία λέιζερ.

Φωτοβολταϊκό φαινόμενο επιφάνειας

Το επιφανειακό φωτοβολταϊκό φαινόμενο συμβαίνει όταν το φως ανακλάται ή απορροφάται από φορείς ελεύθερου φορτίου σε μέταλλα και ημιαγωγούς λόγω της μεταφοράς της ορμής από τα φωτόνια στα ηλεκτρόνια κατά την λοξή πρόσπτωση του φωτός και επίσης κατά τη διάρκεια της κανονικής πρόσπτωσης εάν η κανονική στην επιφάνεια του κρυστάλλου διαφέρει σε κατεύθυνση από έναν από τους κύριους άξονες κρυστάλλου.

Το φαινόμενο συνίσταται στο φαινόμενο της σκέδασης των φορέων φορτίου που διεγείρονται από το φως στην επιφάνεια του δείγματος. Στην περίπτωση της απορρόφησης μεταξύ των ζωνών, συμβαίνει υπό την προϋπόθεση ότι ένα σημαντικό κλάσμα των διεγερμένων φορέων φθάνει στην επιφάνεια χωρίς διασπορά.

Όταν λοιπόν τα ηλεκτρόνια ανακλώνται από την επιφάνεια, σχηματίζεται ένα βαλλιστικό ρεύμα, που κατευθύνεται κάθετα στην επιφάνεια. Εάν, κατά τη διέγερση, τα ηλεκτρόνια διατάσσονται σε αδράνεια, μπορεί να εμφανιστεί ένα ρεύμα που κατευθύνεται κατά μήκος της επιφάνειας.

Η προϋπόθεση για την εμφάνιση αυτού του φαινομένου είναι η διαφορά στο πρόσημο των μη μηδενικών συνιστωσών των μέσων τιμών της ορμής "προς την επιφάνεια" και "από την επιφάνεια" για τα ηλεκτρόνια που κινούνται κατά μήκος της επιφάνειας. Η συνθήκη εκπληρώνεται, για παράδειγμα, σε κυβικούς κρυστάλλους, κατά τη διέγερση των φορέων φορτίου από την εκφυλισμένη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας.

Κατά τη διάχυτη σκέδαση από μια επιφάνεια, τα ηλεκτρόνια που φτάνουν σε αυτήν χάνουν τη συνιστώσα της ορμής κατά μήκος της επιφάνειας, ενώ τα ηλεκτρόνια που απομακρύνονται από την επιφάνεια τη διατηρούν. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση ρεύματος στην επιφάνεια.