Fotovoltaik etki ve çeşitleri
Fotovoltaik (veya fotovoltaik) etki ilk kez 1839'da Fransız fizikçi Alexandre Edmond Becquerel tarafından gözlemlendi.
Babasının laboratuvarında deneyler yaparak, elektrolitik bir çözeltiye batırılmış platin plakaları aydınlatarak, plakalara bağlı bir galvanometrenin varlığını gösterdiğini keşfetti. elektrik hareket gücü... Kısa süre sonra on dokuz yaşındaki Edmund, keşfi için yararlı bir uygulama buldu - bir aktinograf yarattı - gelen ışığın yoğunluğunu kaydeden bir cihaz.
Bugün, fotovoltaik etkiler, aydınlatılmış bir yarı iletken veya dielektrik numuneyi içeren kapalı bir devrede bir elektrik akımının görünümü veya aydınlatılmış bir numune üzerindeki EMF fenomeni ile ilgili bir şekilde veya başka bir fenomen grubunu içerir. dış devre açık. Bu durumda, iki tür fotovoltaik etki ayırt edilir.
Fotovoltaik etkilerin ilk türü şunları içerir: yüksek elektrikli foto-EMF, hacimli foto-EMF, valf foto-EMF'nin yanı sıra fotoepizoelektrik etki ve Dember etkisi.
İkinci tip fotovoltaik etkiler şunları içerir: elektronların fotonlar tarafından sürüklenmesinin yanı sıra yüzey, dairesel ve doğrusal fotovoltaik etkiler.
Birinci ve ikinci türün etkileri
Birinci tip fotovoltaik etkilere, bir ışık efektinin iki karakterli mobil elektrik yükü taşıyıcıları oluşturduğu bir işlem neden olur - elektronlar ve delikler, bunların numune uzayında ayrılmalarına yol açar.
Bu durumda ayrılma olasılığı ya numunenin homojen olmamasıyla (yüzeyi numunenin homojen olmaması olarak kabul edilebilir) ya da ışık yüzeye yakın emildiğinde veya numunenin sadece bir kısmı emildiğinde aydınlatmanın homojen olmamasıyla ilgilidir. numune yüzeyi aydınlatılır , bu nedenle EMF, üzerine düşen ışığın etkisi altında elektronların termal hareket hızındaki artış nedeniyle ortaya çıkar.
İkinci tipin fotovoltaik etkileri, yük taşıyıcıların ışıkla uyarılmasının temel işlemlerinin asimetrisi, saçılmalarının ve rekombinasyonlarının asimetrisi ile ilişkilidir.
Bu tür etkiler, zıt yük taşıyıcı çiftlerinin ek oluşumu olmadan ortaya çıkar, bantlar arası geçişlerden kaynaklanır veya yük taşıyıcıların safsızlıklar tarafından uyarılmasıyla ilişkilendirilebilir, ayrıca ışık enerjisinin soğurulmasından da kaynaklanabilir. ücretsiz şarj taşıyıcıları.
Ardından, fotovoltaik etkilerin mekanizmalarına bakalım. İlk olarak birinci türün fotovoltaik etkilerine bakacağız, ardından dikkatimizi ikinci türün etkilerine çevireceğiz.
Daha kalın etki
Dember etkisi, sadece zıt taraflarındaki yüzey rekombinasyon hızlarındaki farklılıktan dolayı numunenin düzgün aydınlatması altında meydana gelebilir. Numunenin eşit olmayan şekilde aydınlatılmasıyla, Dember etkisi, elektronların ve deliklerin difüzyon katsayılarındaki (hareketlilik farkı) farklılıktan kaynaklanır.
Darbeli aydınlatma ile başlatılan Dember etkisi, terahertz aralığında radyasyon üretmek için kullanılır. Dember etkisi en çok InSb ve InAs gibi yüksek elektron hareketliliğine sahip, dar aralıklı yarı iletkenlerde belirgindir.[banner_adsense]
Bariyer foto-EMF
Geçit veya bariyer foto-EMF, elektronların ve deliklerin bir elektrik alanıyla ayrılmasından kaynaklanır. Schottky bariyerinin metal-yarı iletken teması durumunda ve ayrıca alan Pn kavşağı veya heteroeklem.
Buradaki akım, hem doğrudan pn-kavşağı bölgesinde üretilen yük taşıyıcılarının hem de elektrota yakın bölgelerde uyarılan ve difüzyonla güçlü alan bölgesine ulaşan yük taşıyıcılarının hareketi ile oluşur.
Çift ayrımı, p bölgesinde boşluk akışının ve n bölgesinde elektron akışının oluşumunu destekler. Devre açıksa, EMF p-n bağlantısı için doğrudan yönde hareket eder, böylece eylemi orijinal fenomeni telafi eder.
Bu etki, işleyişin temelidir. Güneş hücreleri ve düşük tepkili son derece hassas radyasyon dedektörleri.
Hacimsel foto-EMF
Toplu foto-EMF, adından da anlaşılacağı gibi, katkı maddesinin konsantrasyonundaki bir değişiklikle veya kimyasal bileşimdeki bir değişiklikle (eğer yarı iletken bileşiktir).
Burada çiftlerin ayrılmasının sebebi sözde Safsızlık konsantrasyonuna bağlı olan Fermi seviyesinin pozisyonundaki bir değişiklik tarafından oluşturulan bir karşı elektrik alanı. Veya karmaşık kimyasal bileşime sahip bir yarı iletkenden bahsediyorsak, çiftlerin ayrılması bant genişliğindeki bir değişiklikten kaynaklanır.
Toplu fotoelektriklerin ortaya çıkması fenomeni, homojenlik derecelerini belirlemek için yarı iletkenlerin araştırılmasına uygulanabilir. Numune direnci aynı zamanda homojensizliklerle de ilgilidir.
Yüksek voltajlı foto-EMF
Anormal (yüksek voltajlı) foto-EMF, homojen olmayan aydınlatma numunenin yüzeyi boyunca yönlendirilmiş bir elektrik alanına neden olduğunda meydana gelir. Ortaya çıkan EMF'nin büyüklüğü, aydınlatılan alanın uzunluğu ile orantılı olacaktır ve 1000 volt veya daha fazlasına ulaşabilir.
Mekanizma, yayılan akımın yüzeye yönelik bir bileşeni varsa Dember etkisinden veya yüzeye çıkıntı yapan bir p-n-p-n-p yapısının oluşumundan kaynaklanabilir. Ortaya çıkan yüksek voltajlı EMF, her bir asimetrik n-p ve p-n bağlantı çiftinin toplam EMF'sidir.
fotoepizoelektrik etki
Fotoepizoelektrik etki, numunenin deformasyonu sırasında bir fotoakım veya fotoemfin ortaya çıkması olgusudur. Mekanizmalarından biri, homojen olmayan deformasyon sırasında yarı iletken parametrelerinde bir değişikliğe yol açan toplu EMF'nin ortaya çıkmasıdır.
Fotoepizoelektrik EMF'nin ortaya çıkması için başka bir mekanizma, yük taşıyıcıların difüzyon katsayısının anizotropisine neden olan tek eksenli deformasyon altında meydana gelen enine Dember EMF'dir.
İkinci mekanizma, vadiler arasında taşıyıcıların yeniden dağılımına yol açan çok kanallı yarı iletken deformasyonlarında en etkilidir.
İlk türün tüm fotovoltaik etkilerine baktık, ardından ikinci türe atfedilen etkilere bakacağız.
Elektron çekiminin fotonlar tarafından etkisi
Bu etki, fotoelektronların fotonlardan elde edilen momentum üzerindeki dağılımındaki asimetri ile ilgilidir. Optik mini bant geçişlerine sahip iki boyutlu yapılarda, kayan fotoakım esas olarak belirli bir momentum yönüne sahip elektron geçişlerinden kaynaklanır ve toplu kristallerde karşılık gelen akımı önemli ölçüde aşabilir.
Doğrusal fotovoltaik etki
Bu etki, numunedeki fotoelektronların asimetrik dağılımından kaynaklanmaktadır. Burada asimetri, kuantum geçişleri sırasında darbenin yönlülüğü ile ilgili birincisi balistik olan ve ikincisi sırasında elektronların dalga paketinin ağırlık merkezinin kayması nedeniyle kayma olan iki mekanizma tarafından oluşturulur. kuantum geçişleri
Doğrusal fotovoltaik etki, momentumun fotonlardan elektronlara aktarılmasıyla ilgili değildir, bu nedenle, sabit bir doğrusal polarizasyonla, ışığın yayılma yönü tersine çevrildiğinde değişmez.Işık soğurma ve saçılma ve rekombinasyon süreçleri, akım (bu katkılar termal dengede telafi edilir).
Dielektriklere uygulanan bu etki, ışığın yoğunluğuna bağlı olan ve kapatıldıktan sonra bile devam eden kırılma indisinde bir değişikliğe yol açtığı için optik bellek mekanizmasının uygulanmasını mümkün kılar.
Dairesel fotovoltaik etki
Etki, jirotropik kristallerden gelen eliptik veya dairesel polarize ışıkla aydınlatıldığında ortaya çıkar. Polarizasyon değiştiğinde EMF işareti tersine çevirir. Etkinin nedeni, jirotropik kristallerin doğasında bulunan spin ve elektron momentumu arasındaki ilişkide yatmaktadır. Elektronlar dairesel polarize ışıkla uyarıldıklarında, spinleri optik olarak yönlendirilir ve buna göre yönlü bir akım darbesi oluşur.
Ters etkinin varlığı, bir akımın etkisi altında optik aktivitenin ortaya çıkmasıyla ifade edilir: iletilen akım, jirotropik kristallerde dönüşlerin yönlendirilmesine neden olur.
Son üç efekt atalet alıcılarında hizmet eder. Lazer radyasyonu.
Yüzey fotovoltaik etkisi
Yüzey fotovoltaik etkisi, ışığın eğik gelişi sırasında fotonlardan elektronlara momentum aktarımı nedeniyle metaller ve yarı iletkenlerdeki serbest yük taşıyıcıları tarafından yansıtıldığında veya emildiğinde ve ayrıca kristalin yüzeyinin normali farklıysa normal geliş sırasında meydana gelir. ana kristal eksenlerinden birinden yön.
Etki, ışıkla uyarılmış yük taşıyıcıların numunenin yüzeyinde saçılması olgusundan oluşur. Bantlar arası absorpsiyon durumunda, uyarılmış taşıyıcıların önemli bir bölümünün saçılma olmadan yüzeye ulaşması koşulu altında gerçekleşir.
Böylece elektronlar yüzeyden yansıdığında, yüzeye dik olarak yönlendirilmiş bir balistik akım oluşur. Uyarma üzerine elektronlar kendilerini atalet içinde düzenlerlerse, yüzey boyunca yönlendirilmiş bir akım görünebilir.
Bu etkinin oluşma koşulu, yüzey boyunca hareket eden elektronlar için "yüzeye doğru" ve "yüzeyden" ortalama momentum değerlerinin sıfır olmayan bileşenlerinin işaretindeki farktır. Koşul, örneğin kübik kristallerde, yük taşıyıcılarının dejenere valans bandından iletim bandına uyarılması üzerine yerine getirilir.
Bir yüzey tarafından yayılan saçılmada, ona ulaşan elektronlar yüzey boyunca momentum bileşenini kaybederken, yüzeyden uzaklaşan elektronlar onu korur. Bu, yüzeyde bir akımın görünmesine yol açar.