Photovoltaic effect at mga varieties nito

Sa unang pagkakataon, ang tinatawag na photovoltaic (o photovoltaic) na epekto ay naobserbahan noong 1839 ng French physicist na si Alexandre Edmond Becquerel.

Sa pag-eksperimento sa laboratoryo ng kanyang ama, natuklasan niya na sa pamamagitan ng pag-iilaw sa mga platinum plate na inilubog sa isang electrolytic solution, isang galvanometer na konektado sa mga plato ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng puwersa ng electromotive… Di-nagtagal, nakahanap ang labing-siyam na taong gulang na si Edmund ng isang kapaki-pakinabang na aplikasyon para sa kanyang pagtuklas — lumikha siya ng actinograph — isang aparato para sa pagtatala ng intensity ng liwanag ng insidente.

Sa ngayon, ang mga photovoltaic effect ay kinabibilangan ng isang buong pangkat ng mga phenomena, sa isang paraan o iba pa, na nauugnay sa hitsura ng isang electric current sa isang closed circuit, na kinabibilangan ng isang iluminated na semiconductor o dielectric sample, o ang EMF phenomenon sa isang illuminated sample, kung ang bukas ang panlabas na circuit. Sa kasong ito, dalawang uri ng photovoltaic effect ang nakikilala.

Ang unang uri ng photovoltaic effect ay kinabibilangan ng: high electric photo-EMF, volume photo-EMF, valve photo-EMF, pati na rin ang photoepizoelectric effect at ang Dember effect.

Ang mga epekto ng photovoltaic ng pangalawang uri ay kinabibilangan ng: ang epekto ng pagpasok ng mga electron sa pamamagitan ng mga photon, pati na rin ang mga epekto sa ibabaw, pabilog at linear na photovoltaic.

Mga epekto ng una at pangalawang uri

Ang mga photovoltaic effect ng unang uri ay sanhi ng isang proseso kung saan ang isang light effect ay bumubuo ng mga mobile electric charge carrier ng dalawang character - mga electron at butas, na humahantong sa kanilang paghihiwalay sa espasyo ng sample.

Ang posibilidad ng paghihiwalay ay nauugnay sa kasong ito alinman sa inhomogeneity ng sample (ang ibabaw nito ay maaaring ituring bilang ang inhomogeneity ng sample) o sa inhomogeneity ng pag-iilaw kapag ang liwanag ay nasisipsip malapit sa ibabaw o kapag bahagi lamang ng sample ibabaw ay iluminado , kaya ang EMF arises dahil sa isang pagtaas sa ang bilis ng thermal paggalaw ng mga electron sa ilalim ng impluwensiya ng liwanag na bumabagsak sa kanila.

Ang mga epekto ng photovoltaic ng pangalawang uri ay nauugnay sa kawalaan ng simetrya ng mga elementarya na proseso ng paggulo ng mga carrier ng singil sa pamamagitan ng liwanag, ang kawalaan ng simetrya ng kanilang pagkalat at recombination.

Ang mga epekto ng ganitong uri ay lumilitaw nang walang karagdagang pagbuo ng mga pares ng kabaligtaran na mga carrier ng singil, ang mga ito ay sanhi ng mga interband transition o maaaring nauugnay sa paggulo ng mga carrier ng singil sa pamamagitan ng mga impurities, bilang karagdagan, maaari silang sanhi ng pagsipsip ng liwanag na enerhiya ng libreng bayad carrier.

Susunod, tingnan natin ang mga mekanismo ng photovoltaic effect. Titingnan muna natin ang mga photovoltaic effect ng unang uri, pagkatapos ay ibabaling ang ating pansin sa mga epekto ng pangalawang uri.

Mas makapal na epekto

Ang epekto ng Dember ay maaaring mangyari sa ilalim ng pare-parehong pag-iilaw ng sample, dahil lamang sa pagkakaiba sa mga rate ng recombination sa ibabaw sa magkabilang panig nito. Sa hindi pantay na pag-iilaw ng sample, ang epekto ng Dember ay sanhi ng pagkakaiba sa mga diffusion coefficients (pagkakaiba sa kadaliang kumilos) ng mga electron at butas.

Ang Dember effect, na pinasimulan ng pulsed illumination, ay ginagamit upang makabuo ng radiation sa hanay ng terahertz. Ang Dember effect ay pinaka-binibigkas sa high-electron-mobility, narrow-gap semiconductors tulad ng InSb at InAs.[banner_adsense]

Barrier photo-EMF

Ang gate o barrier photo-EMF ay nagreresulta mula sa paghihiwalay ng mga electron at butas ng isang electric field ng Schottky barrier sa kaso ng isang metal-semiconductor contact, pati na rin ang field p-n-junction o heterojunction.

Ang kasalukuyang dito ay nabuo sa pamamagitan ng paggalaw ng parehong mga carrier ng singil na direktang nabuo sa rehiyon ng pn-junction, at ang mga carrier na nasasabik sa mga rehiyon na malapit sa elektrod at umabot sa rehiyon ng malakas na field sa pamamagitan ng pagsasabog.

Ang paghihiwalay ng pares ay nagtataguyod ng pagbuo ng daloy ng butas sa rehiyon ng p at daloy ng elektron sa rehiyon ng n. Kung ang circuit ay bukas, pagkatapos ay ang EMF ay kumikilos sa direktang direksyon para sa p-n junction, kaya ang pagkilos nito ay nagbabayad para sa orihinal na kababalaghan.

Ang epektong ito ay ang batayan ng paggana solar cells at napakasensitibong radiation detector na may mababang tugon.

Volumetric na larawan-EMF

Ang bulk photo-EMF, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan nito, ay lumitaw bilang isang resulta ng paghihiwalay ng mga pares ng mga carrier ng singil sa karamihan ng sample sa mga inhomogeneities na nauugnay sa isang pagbabago sa konsentrasyon ng dopant o sa isang pagbabago sa komposisyon ng kemikal (kung ang semiconductor ay tambalan).

Dito, ang dahilan ng paghihiwalay ng mga pares ay ang tinatawag na Isang counter electric field na nilikha ng pagbabago sa posisyon ng antas ng Fermi, na depende naman sa konsentrasyon ng karumihan. O, kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang semiconductor na may kumplikadong komposisyon ng kemikal, ang paghahati ng mga pares ay nagreresulta mula sa pagbabago sa lapad ng banda.

Ang kababalaghan ng paglitaw ng bulk photoelectrics ay naaangkop sa probing ng semiconductors upang matukoy ang antas ng kanilang homogeneity. Ang sample resistance ay nauugnay din sa inhomogeneities.

Mataas na boltahe na larawan-EMF

Ang abnormal (mataas na boltahe) na photo-EMF ay nangyayari kapag ang hindi pare-parehong pag-iilaw ay nagdudulot ng electric field na nakadirekta sa ibabaw ng sample. Ang magnitude ng magreresultang EMF ay magiging proporsyonal sa haba ng iluminadong lugar at maaaring umabot sa 1000 volts o higit pa.

Ang mekanismo ay maaaring sanhi ng alinman sa epekto ng Dember, kung ang nagkakalat na kasalukuyang may bahagi na nakadirekta sa ibabaw, o sa pamamagitan ng pagbuo ng isang istraktura ng p-n-p-n-p na naka-project sa ibabaw. Ang nagreresultang mataas na boltahe na EMF ay ang kabuuang EMF ng bawat pares ng asymmetric n-p at p-n junctions.

Epekto ng photoepizoelectric

Ang photoepizoelectric effect ay ang phenomenon ng paglitaw ng isang photocurrent o photoemf sa panahon ng pagpapapangit ng sample. Ang isa sa mga mekanismo nito ay ang hitsura ng bulk EMF sa panahon ng inhomogeneous deformation, na humahantong sa isang pagbabago sa mga parameter ng semiconductor.

Ang isa pang mekanismo para sa paglitaw ng photoepisoelectric EMF ay ang transverse Dember EMF, na nangyayari sa ilalim ng uniaxial deformation, na nagiging sanhi ng anisotropy ng diffusion coefficient ng mga carrier ng singil.

Ang huli na mekanismo ay pinaka-epektibo sa multivalley semiconductor deformations, na humahantong sa isang muling pamamahagi ng mga carrier sa pagitan ng mga lambak.

Tiningnan namin ang lahat ng photovoltaic effect ng unang uri, pagkatapos ay titingnan namin ang mga epekto na nauugnay sa pangalawang uri.

Ang epekto ng pagkahumaling ng elektron sa pamamagitan ng mga photon

Ang epektong ito ay nauugnay sa kawalaan ng simetrya sa pamamahagi ng mga photoelectron sa momentum na nakuha mula sa mga photon. Sa mga two-dimensional na istruktura na may optical miniband transition, ang sliding photocurrent ay pangunahing sanhi ng mga electron transition na may tiyak na direksyon ng momentum at maaaring makabuluhang lumampas sa kaukulang kasalukuyang sa bulk crystals.

Linear photovoltaic effect

Ang epektong ito ay dahil sa asymmetric distribution ng photoelectrons sa sample. Dito, ang kawalaan ng simetrya ay nabuo sa pamamagitan ng dalawang mekanismo, ang una ay ballistic, na nauugnay sa direksyon ng pulso sa panahon ng quantum transition, at ang pangalawa ay paggugupit, dahil sa paglipat ng sentro ng grabidad ng wavepacket ng mga electron sa panahon ng ang quantum transition.

Ang linear photovoltaic effect ay hindi nauugnay sa paglipat ng momentum mula sa mga photon patungo sa mga electron, samakatuwid, na may isang nakapirming linear polarization, hindi ito nagbabago kapag ang direksyon ng pagpapalaganap ng liwanag ay nabaligtad. Ang mga proseso ng light absorption at scattering at recombination ay nakakatulong sa kasalukuyang (ang mga kontribusyon na ito ay binabayaran sa thermal equilibrium).

Ang epektong ito, na inilapat sa dielectrics, ay ginagawang posible na ilapat ang mekanismo ng optical memory, dahil ito ay humahantong sa isang pagbabago sa refractive index, na nakasalalay sa intensity ng liwanag, at nagpapatuloy kahit na ito ay naka-off.

Circular photovoltaic effect

Ang epekto ay nangyayari kapag naiilaw ng elliptically o circularly polarized na ilaw mula sa gyrotropic crystals. Binabaliktad ng EMF ang sign kapag nagbago ang polarization. Ang dahilan para sa epekto ay nakasalalay sa relasyon sa pagitan ng spin at momentum ng elektron, na likas sa mga gyrotropic na kristal. Kapag ang mga electron ay nasasabik sa pamamagitan ng pabilog na polarized na ilaw, ang kanilang mga pag-ikot ay optically oriented, at naaayon sa isang direksyon na kasalukuyang pulso ay nangyayari.

?

Ang pagkakaroon ng kabaligtaran na epekto ay ipinahayag sa hitsura ng optical na aktibidad sa ilalim ng pagkilos ng isang kasalukuyang: ang ipinadala na kasalukuyang nagiging sanhi ng oryentasyon ng mga spins sa gyrotropic crystals.

Ang huling tatlong epekto ay nagsisilbi sa mga inertial na receiver. laser radiation.

Epekto ng photovoltaic sa ibabaw

Ang surface photovoltaic effect ay nangyayari kapag ang liwanag ay nasasalamin o nasipsip ng mga free charge carrier sa mga metal at semiconductors dahil sa paglipat ng momentum mula sa mga photon patungo sa mga electron sa panahon ng oblique incidence ng liwanag at gayundin sa panahon ng normal na insidente kung ang normal sa ibabaw ng kristal ay naiiba sa direksyon mula sa isa sa mga pangunahing kristal na palakol.

Ang epekto ay binubuo sa hindi pangkaraniwang bagay ng pagkalat ng mga light-excited charge carrier sa ibabaw ng sample. Sa kaso ng interband absorption, ito ay nangyayari sa ilalim ng kondisyon na ang isang makabuluhang bahagi ng mga nasasabik na carrier ay umabot sa ibabaw nang hindi nagkakalat.

Kaya kapag ang mga electron ay makikita mula sa ibabaw, ang isang ballistic current ay nabuo, na nakadirekta patayo sa ibabaw. Kung, sa paggulo, inaayos ng mga electron ang kanilang mga sarili sa pagkawalang-kilos, maaaring lumitaw ang isang kasalukuyang nakadirekta sa ibabaw.

Ang kondisyon para sa paglitaw ng epekto na ito ay ang pagkakaiba sa tanda ng mga di-zero na bahagi ng average na halaga ng momentum "patungo sa ibabaw" at "mula sa ibabaw" para sa mga electron na gumagalaw sa ibabaw. Ang kondisyon ay natutupad, halimbawa, sa mga cubic crystals, sa paggulo ng mga carrier ng singil mula sa degenerate valence band hanggang sa conduction band.

Sa diffuse scattering ng isang surface, ang mga electron na umaabot dito ay nawawala ang bahagi ng momentum sa ibabaw, habang ang mga electron na lumalayo sa ibabaw ay nagpapanatili nito. Ito ay humahantong sa hitsura ng isang kasalukuyang sa ibabaw.