Фотоволтаичен ефект и неговите разновидности

За първи път така нареченият фотоволтаичен (или фотоволтаичен) ефект се наблюдава през 1839 г. от френския физик Александър Едмонд Бекерел.

Експериментирайки в лабораторията на баща си, той открил, че при осветяване на платинени плочи, потопени в електролитен разтвор, галванометър, свързан с плочите, показва наличието на електродвижеща сила… Скоро деветнадесетгодишният Едмънд намери полезно приложение за откритието си — той създаде актинограф — устройство за записване на интензитета на падащата светлина.

Днес фотоволтаичните ефекти включват цяла група явления, по един или друг начин, свързани с появата на електрически ток в затворена верига, която включва осветена полупроводникова или диелектрична проба, или явлението ЕМП върху осветена проба, ако външната верига е отворена. В този случай се разграничават два вида фотоволтаични ефекти.

Първият вид фотоволтаични ефекти включват: високоелектрическа фото-ЕМП, обемна фото-ЕМП, вентилна фото-ЕМП, както и фотоепизоелектричния ефект и ефекта на Дембър.

Фотоволтаичните ефекти от втория тип включват: ефектът от увличането на електрони от фотони, както и повърхностни, кръгови и линейни фотоволтаични ефекти.

Ефекти от първия и втория тип

Фотоволтаичните ефекти от първия тип са причинени от процес, при който светлинен ефект генерира мобилни носители на електрически заряд от два знака — електрони и дупки, което води до разделянето им в пространството на пробата.

Възможността за разделяне се свързва в този случай или с нехомогенността на пробата (нейната повърхност може да се разглежда като нехомогенността на пробата), или с нехомогенността на осветлението, когато светлината се абсорбира близо до повърхността, или когато само част на повърхността на пробата е осветена, така че ЕМП възниква поради увеличаване на скоростите на топлинно движение на електрони под действието на падащата върху тях светлина.

Фотоволтаичните ефекти от втория тип са свързани с асиметрията на елементарните процеси на възбуждане на носители на заряд от светлина, асиметрията на тяхното разсейване и рекомбинация.

Ефекти от този тип се появяват без допълнително образуване на двойки противоположни носители на заряд, те са причинени от междузонни преходи или могат да бъдат свързани с възбуждане на носители на заряд с примеси, освен това те могат да бъдат причинени от поглъщането на светлинна енергия от свободната носители на такси.

След това нека разгледаме механизмите на фотоволтаичните ефекти. Първо ще разгледаме фотоволтаичните ефекти от първия тип, след което ще насочим вниманието си към ефектите от втория тип.

По -дебел ефект

Ефектът на Дембър може да възникне при равномерно осветяване на пробата, просто поради разликата в скоростите на повърхностна рекомбинация на противоположните й страни. При неравномерно осветяване на пробата ефектът на Дембър се причинява от разликата в коефициентите на дифузия (разлика в подвижността) на електрони и дупки.

Ефектът на Дембър, иницииран от импулсно осветление, се използва за генериране на радиация в терахерцовия диапазон. Ефектът на Дембър е най -силно изразен при полупроводници с висока подвижност на електроните и с тесен диапазон, като например InSb и InAs.[banner_adsense]

Бариерна снимка-ЕМП

Портата или бариерната фото-ЕМП е резултат от разделянето на електрони и дупки чрез електрическо поле на бариерата на Шотки в случай на контакт метал-полупроводник, както и полето p-n-кръстовище или хетеросъединение.

Токът тук се формира от движението както на носители на заряд, директно генерирани в областта на pn-кръстовището, така и на тези носители, които се възбуждат в близките до електрода области и достигат до областта на силното поле чрез дифузия.

Разделянето на двойки насърчава образуването на поток от дупки в p областта и електронен поток в n областта. Ако веригата е отворена, тогава ЕМП действа в директна посока за p-n-прехода, така че нейното действие компенсира първоначалното явление.

Този ефект е в основата на функционирането слънчеви клетки и високочувствителни детектори на радиация с ниска реакция.

Обемен фото-ЕМП

Насипният фото-ЕМП, както подсказва името му, възниква в резултат на разделянето на двойки носители на заряд в по-голямата част от пробата при нехомогенности, свързани с промяна в концентрацията на добавката или с промяна в химичния състав (ако полупроводникът е сложен).

Тук причината за разделянето на двойките е т. Нар. Контра електрическо поле, създадено от промяна в положението на нивото на Ферми, което от своя страна зависи от концентрацията на примеси. Или, ако говорим за полупроводник със сложен химичен състав, разделянето на двойки е резултат от промяна в ширината на лентата.

Явлението поява на обемни фотоедс е приложимо за сондиране на полупроводници, за да се определи степента на тяхната хомогенност. Съпротивлението на пробата също е свързано с нехомогенности.

Фото-ЕМП с високо напрежение

Ненормално (високо напрежение) фото-ЕМП се получава, когато неравномерното осветление причинява електрическо поле, насочено по повърхността на пробата. Величината на възникващата ЕМП ще бъде пропорционална на дължината на осветената зона и може да достигне 1000 волта или повече.

Механизмът може да бъде причинен или от ефекта на Дембър, ако дифузният ток има компонент, насочен по повърхността, или от образуването на p-n-p-n-p структура, излизаща на повърхността. Получената ЕМП с високо напрежение е общата ЕМП на всяка от двойките асиметрични n-p и p-n преходи.

Фотоепизоелектричен ефект

Фотоепизоелектричният ефект е явлението появата на фототок или фотоедс по време на деформация на пробата. Един от механизмите му е появата на обемна ЕМП при нехомогенна деформация, водеща до промяна в параметрите на полупроводника.

Друг механизъм за появата на фотоепизоелектрична ЕРС е напречната ЕДС на Дембър, която възниква при едноосна деформация, която причинява анизотропия на коефициента на дифузия на носителите на заряд.

Последният механизъм е най-ефективен при деформации на многодолови полупроводници, което води до преразпределение на носителите между долините.

Разгледахме всички фотоволтаични ефекти от първия тип, след това ще разгледаме ефектите, приписвани на втория тип.

Ефектът от привличането на електрони от фотони

Този ефект е свързан с асиметрията в разпределението на фотоелектроните върху импулса, получен от фотоните. В двуизмерните структури с оптични преходи между мини ленти, плъзгащият фототок се причинява главно от преходи на електрони с определена посока на импулса и може значително да надвиши съответния ток в насипни кристали.

Линеен фотоволтаичен ефект

Този ефект се дължи на асиметричното разпределение на фотоелектроните в пробата. Тук асиметрията се формира от два механизма, първият от които е балистичен, свързан с насочеността на импулса по време на квантовите преходи, а вторият е срязване, поради изместването на центъра на тежестта на вълновия пакет от електрони по време на квантовите преходи .

Линейният фотоволтаичен ефект не е свързан с прехвърлянето на инерцията от фотон към електрони, следователно, с фиксирана линейна поляризация, той не се променя, когато посоката на разпространение на светлината е обърната.Процесите на поглъщане на светлина и разсейване и рекомбинация допринасят за тока (тези приноси се компенсират при термично равновесие).

Този ефект, приложен към диелектриците, прави възможно прилагането на механизма на оптичната памет, тъй като води до промяна в показателя на пречупване, който зависи от интензитета на светлината, и продължава дори след изключването му.

Кръгов фотоволтаичен ефект

Ефектът възниква при осветяване от елиптично или кръгова поляризирана светлина от жиротропни кристали. EMF променя знака на обратното, когато се промени поляризацията. Причината за ефекта се крие във връзката между спина и инерцията на електроните, която е присъща на жиротропните кристали. Когато електроните се възбуждат от кръгова поляризирана светлина, техните завъртания са оптически ориентирани и съответно възниква импулс на насочен ток.

?

Наличието на обратния ефект се изразява във появата на оптична активност под действието на ток: предаваният ток предизвиква ориентация на завъртанията в жиротропни кристали.

Последните три ефекта служат в инерционни приемници. лазерно излъчване.

Повърхностен фотоволтаичен ефект

Повърхностният фотоволтаичен ефект възниква, когато светлината се отразява или поглъща от свободни носители на заряд в метали и полупроводници, поради прехвърлянето на инерцията от фотони към електрони по време на наклонено падане на светлината, а също и по време на нормално падане, ако нормалата към повърхността на кристала се различава по посока от една от основните кристални оси.

Ефектът се състои в явлението разсейване на светлинно-възбудени носители на заряд върху повърхността на пробата. В случай на междуполосно поглъщане, той се проявява при условие, че значителна част от възбудените носители достигнат повърхността без разсейване.

Така че, когато електроните се отразяват от повърхността, се образува балистичен ток, насочен перпендикулярно на повърхността. Ако при възбуждане електроните се подредят в инерция, може да се появи ток, насочен по повърхността.

Условието за възникване на този ефект е разликата в знака на ненулевите компоненти на средните стойности на импулса „към повърхността“ и „от повърхността“ за електроните, движещи се по повърхността. Условието е изпълнено, например, в кубични кристали, при възбуждане на носители на заряд от изродената валентна зона към зоната на проводимост.

При дифузно разсейване по повърхността, електроните, които достигат до него — губят компонента на инерцията по повърхността, докато електроните, движещи се от повърхността — го задържат. Това води до появата на ток по повърхността.