Fotovoltinis efektas ir jo atmainos

Pirmą kartą vadinamąjį fotovoltinį (arba fotovoltinį) efektą 1839 m. pastebėjo prancūzų fizikas Alexandre'as Edmondas Becquerelis.

Eksperimentuodamas savo tėvo laboratorijoje, jis išsiaiškino, kad apšvietęs platinos plokštes, panardintas į elektrolitinį tirpalą, prie plokštelių prijungtas galvanometras parodė, kad yra elektrovaros jėga… Netrukus devyniolikmetis Edmundas atrado naudingą pritaikymą savo atradimui – sukūrė aktinografą – prietaisą krintančios šviesos intensyvumui fiksuoti.

Šiandien fotovoltiniai efektai apima visą grupę reiškinių, vienaip ar kitaip susijusių su elektros srovės atsiradimu uždaroje grandinėje, kuri apima apšviestą puslaidininkį ar dielektrinį pavyzdį arba EML reiškinį apšviestame pavyzdyje, jei išorinė grandinė yra atvira. Šiuo atveju išskiriami du fotovoltinių efektų tipai.

Pirmojo tipo fotovoltiniai efektai apima: didelio elektrinio foto-EMF, tūrio foto-EMF, vožtuvo foto-EMF, taip pat fotoepizoelektrinį ir Dembero efektą.

Antrojo tipo fotovoltiniai efektai apima: elektronų įtraukimo į fotonus poveikį, taip pat paviršinius, apskritus ir linijinius fotovoltinius efektus.

Pirmojo ir antrojo tipo poveikis

Pirmojo tipo fotovoltinius efektus sukelia procesas, kurio metu šviesos efektas sukuria judrius dviejų simbolių elektros krūvininkus - elektronus ir skyles, dėl kurių jie atsiskiria mėginio erdvėje.

Atskyrimo galimybė šiuo atveju yra susijusi arba su bandinio nehomogeniškumu (jo paviršius gali būti laikomas mėginio nehomogeniškumu), arba su apšvietimo nehomogeniškumu, kai šviesa sugeriama arti paviršiaus arba kai tik dalis jo paviršiaus. Mėginio paviršius yra apšviestas, todėl EML atsiranda dėl padidėjusio elektronų šiluminio judėjimo greičio, veikiant ant jų krintančios šviesos.

Antrojo tipo fotovoltiniai efektai siejami su elementarių krūvininkų sužadinimo šviesa procesų asimetrija, jų sklaidos ir rekombinacijos asimetrija.

Šio tipo efektai atsiranda be papildomo priešingų krūvininkų porų susidarymo, juos sukelia tarpjuostiniai perėjimai arba gali būti susiję su krūvininkų sužadinimu priemaišomis, be to, gali atsirasti dėl šviesos energijos sugėrimo elektra. nemokami mokesčių nešėjai.

Toliau pažvelkime į fotovoltinių efektų mechanizmus. Pirmiausia pažvelgsime į pirmojo tipo fotovoltinius efektus, tada atkreipsime dėmesį į antrojo tipo poveikį.

Storesnis efektas

Dember efektas gali atsirasti esant vienodam mėginio apšvietimui vien dėl paviršiaus rekombinacijos greičio skirtumo priešingose ​​jo pusėse. Esant netolygiam mėginio apšvietimui, Dember efektą sukelia elektronų ir skylių difuzijos koeficientų (mobilumo skirtumo) skirtumas.

Dember efektas, inicijuojamas impulsiniu apšvietimu, naudojamas terahercų diapazono spinduliuotei generuoti. Dember efektas ryškiausias didelio elektronų mobilumo siauro tarpo puslaidininkiuose, tokiuose kaip InSb ir InAs.[banner_adsense]

Barjerinė nuotrauka-EMF

Vartai arba barjeras foto-EMF atsiranda dėl elektronų ir skylių atskyrimo elektriniu lauku nuo Šotkio barjero esant metalo ir puslaidininkio kontaktui, taip pat laukas p-n sandūra arba heterojunkcija.

Srovė čia susidaro judant tiek krūvnešiams, tiesiogiai generuojamiems pn sandūros srityje, tiek tiems, kurie sužadinami srityse, esančiose arti elektrodo ir difuzijos būdu pasiekia stipraus lauko sritį.

Porų atskyrimas skatina skylės srauto susidarymą p srityje ir elektronų srautą n srityje. Jei grandinė yra atvira, tada EMF veikia tiesiogine p-n sandūros kryptimi, todėl jo veiksmai kompensuoja pradinį reiškinį.

Šis poveikis yra veikimo pagrindas saulės elementų ir labai jautrūs radiacijos detektoriai su mažu atsaku.

Tūrinis foto-EMF

Tūrinis foto-EMF, kaip rodo jo pavadinimas, atsiranda dėl krūvininkų porų atsiskyrimo didžiojoje mėginio dalyje esant nehomogeniškumui, susijusiam su priedo koncentracijos pasikeitimu arba cheminės sudėties pasikeitimu (jei puslaidininkis yra junginys).

Čia porų išsiskyrimo priežastis yra vadinamoji Priešpriešinis elektrinis laukas, sukurtas pasikeitus Fermio lygio padėčiai, kuri savo ruožtu priklauso nuo priemaišų koncentracijos. Arba, jei kalbame apie sudėtingos cheminės sudėties puslaidininkį, porų padalijimas atsiranda dėl juostos pločio pasikeitimo.

Tūrinės fotoelektros atsiradimo reiškinys taikomas puslaidininkių zondavimui, siekiant nustatyti jų homogeniškumo laipsnį. Mėginio atsparumas taip pat yra susijęs su nehomogeniškumu.

Aukštos įtampos foto-EMF

Nenormalus (aukštos įtampos) foto-EMF atsiranda, kai netolygus apšvietimas sukelia elektrinį lauką, nukreiptą išilgai mėginio paviršiaus. Susidariusio EML dydis bus proporcingas apšviestos srities ilgiui ir gali siekti 1000 voltų ar daugiau.

Mechanizmas gali atsirasti dėl Dember efekto, jei difuzinė srovė turi į paviršių nukreiptą komponentą, arba dėl p-n-p-n-p struktūros, išsikišančios į paviršių, susidarymo. Gautas aukštos įtampos EML yra bendras kiekvienos asimetrinių n-p ir p-n jungčių poros EML.

Fotoepizoelektrinis efektas

Fotoepizoelektrinis efektas yra fotosrovės arba fotoemf atsiradimo reiškinys deformuojant pavyzdį. Vienas iš jo mechanizmų yra tūrinės EML atsiradimas nehomogeninės deformacijos metu, dėl kurio keičiasi puslaidininkio parametrai.

Kitas fotoepizoelektrinio EML atsiradimo mechanizmas yra skersinis Dember EMF, atsirandantis vienaašėje deformacijoje, kuri sukelia krūvininkų difuzijos koeficiento anizotropiją.

Pastarasis mechanizmas yra efektyviausias daugiaslėnių puslaidininkių deformacijose, todėl nešikliai persiskirsto tarp slėnių.

Išnagrinėjome visus pirmojo tipo fotovoltinius efektus, tada pažvelgsime į antrajam tipui priskiriamus efektus.

Elektronų pritraukimo fotonais poveikis

Šis efektas yra susijęs su fotoelektronų pasiskirstymo asimetrija per impulsą, gautą iš fotonų. Dvimatėse struktūrose su optiniais minijuostos perėjimais slankiąją fotosrovę daugiausia sukelia elektronų perėjimai su tam tikra impulso kryptimi ir gali žymiai viršyti atitinkamą srovę tūriniuose kristaluose.

Linijinis fotovoltinis efektas

Šis efektas atsiranda dėl asimetrinio fotoelektronų pasiskirstymo pavyzdyje. Čia asimetriją sudaro du mechanizmai, iš kurių pirmasis yra balistinis, susijęs su impulso kryptingumu kvantinių perėjimų metu, o antrasis yra šlyties, dėl elektronų bangų paketo svorio centro poslinkio metu. kvantiniai perėjimai.

Linijinis fotovoltinis efektas nesusijęs su impulso perkėlimu iš fotonų į elektronus, todėl, esant fiksuotai tiesinei poliarizacijai, jis nekinta, kai šviesos sklidimo kryptis pasikeičia. srovė (šie įnašai kompensuojami esant terminei pusiausvyrai).

Šis dielektrikams taikomas efektas leidžia pritaikyti optinės atminties mechanizmą, nes dėl jo keičiasi lūžio rodiklis, kuris priklauso nuo šviesos intensyvumo ir tęsiasi net jį išjungus.

Apvalus fotovoltinis efektas

Poveikis atsiranda apšviečiant elipsės arba apskritimo formos poliarizuotą girotropinių kristalų šviesą. Pasikeitus poliarizacijai, EMF keičia ženklą. Poveikio priežastis yra ryšys tarp sukimosi ir elektronų impulso, kuris būdingas girotropiniams kristalams. Kai elektronai sužadinami cirkuliariai poliarizuota šviesa, jų sukiniai yra orientuoti optiškai ir atitinkamai atsiranda kryptinis srovės impulsas.

?

Priešingo poveikio buvimas išreiškiamas optinio aktyvumo atsiradimu veikiant srovei: perduodama srovė lemia girotropinių kristalų sukinių orientaciją.

Paskutiniai trys efektai naudojami inerciniuose imtuvuose. lazerio spinduliuotė.

Paviršinis fotovoltinis efektas

Paviršiaus fotovoltinis efektas atsiranda, kai šviesą atspindi arba sugeria laisvieji krūvininkai metaluose ir puslaidininkiuose dėl impulso perdavimo iš fotonų į elektronus, kai šviesa patenka įstrižai, taip pat esant normaliam kritimui, jei kristalo paviršiaus normalioji vertė skiriasi kryptimi nuo vienos iš pagrindinių kristalų ašių.

Poveikis susideda iš šviesos sužadintų krūvininkų išsibarstymo mėginio paviršiuje. Tarpjuostinės sugerties atveju tai įvyksta su sąlyga, kad didelė dalis sužadintų nešėjų pasiekia paviršių be sklaidos.

Taigi, kai elektronai atsispindi nuo paviršiaus, susidaro balistinė srovė, nukreipta statmenai paviršiui. Jei sužadinimo metu elektronai išsidėsto inerciškai, gali atsirasti srovė, nukreipta išilgai paviršiaus.

Šio efekto atsiradimo sąlyga yra elektronų, judančių palei paviršių, vidutinių impulso verčių „link paviršiaus“ ir „nuo paviršiaus“ nulinių komponentų ženklo skirtumas. Sąlyga įvykdoma, pavyzdžiui, kubiniuose kristaluose, sužadinus krūvininkus iš išsigimusios valentinės juostos į laidumo juostą.

Esant difuziniam paviršiaus sklaidymui, jį pasiekiantys elektronai praranda impulso komponentą išilgai paviršiaus, o nuo paviršiaus tolstantys elektronai jį išlaiko. Dėl to paviršiuje atsiranda srovė.