Efek fotovoltaik dan varietasnya

Untuk pertama kalinya, apa yang disebut efek fotovoltaik (atau fotovoltaik) diamati pada tahun 1839 oleh fisikawan Prancis Alexandre Edmond Becquerel.

Bereksperimen di laboratorium ayahnya, ia menemukan bahwa dengan menyinari pelat platina yang direndam dalam larutan elektrolitik, sebuah galvanometer yang terhubung ke pelat menunjukkan adanya gaya gerak listrik… Segera Edmund yang berusia sembilan belas tahun menemukan aplikasi yang berguna untuk penemuannya - dia membuat aktinograf - alat untuk merekam intensitas cahaya yang datang.

Saat ini, efek fotovoltaik mencakup seluruh kelompok fenomena, dengan satu atau lain cara, terkait dengan kemunculan arus listrik dalam rangkaian tertutup, yang mencakup semikonduktor atau sampel dielektrik yang menyala, atau fenomena EMF pada sampel yang diterangi, jika sirkuit eksternal terbuka. Dalam hal ini, dua jenis efek fotovoltaik dibedakan.

Jenis pertama dari efek fotovoltaik meliputi: foto-EMF listrik tinggi, foto-EMF volume, foto-EMF katup, serta efek fotoepizoelektrik dan efek Dember.

Efek fotovoltaik dari tipe kedua meliputi: efek entrainment elektron oleh foton, serta efek fotovoltaik permukaan, melingkar, dan linier.

Efek dari tipe pertama dan kedua

Efek fotovoltaik dari jenis pertama disebabkan oleh proses di mana efek cahaya menghasilkan pembawa muatan listrik bergerak dari dua karakter - elektron dan lubang, yang mengarah pada pemisahan mereka dalam ruang sampel.

Kemungkinan pemisahan terkait dalam hal ini dengan ketidakhomogenan sampel (permukaannya dapat dianggap sebagai ketidakhomogenan sampel) atau ketidakhomogenan iluminasi ketika cahaya diserap dekat dengan permukaan atau ketika hanya sebagian dari cahaya. permukaan sampel diterangi , sehingga EMF muncul karena peningkatan kecepatan pergerakan termal elektron di bawah pengaruh cahaya yang jatuh padanya.

Efek fotovoltaik dari tipe kedua dikaitkan dengan asimetri proses dasar eksitasi pembawa muatan oleh cahaya, asimetri hamburan dan rekombinasinya.

Efek jenis ini muncul tanpa pembentukan tambahan pasangan pembawa muatan yang berlawanan, disebabkan oleh transisi interband atau dapat dikaitkan dengan eksitasi pembawa muatan oleh pengotor, selain itu, dapat disebabkan oleh penyerapan energi cahaya oleh pembawa muatan gratis.

Selanjutnya, mari kita lihat mekanisme efek fotovoltaik. Pertama-tama kita akan melihat efek fotovoltaik dari tipe pertama, kemudian mengalihkan perhatian kita ke efek tipe kedua.

Efek lebih tebal

Efek Dember dapat terjadi di bawah pencahayaan yang seragam dari sampel, hanya karena perbedaan tingkat rekombinasi permukaan pada sisi yang berlawanan. Dengan iluminasi sampel yang tidak merata, efek Dember disebabkan oleh perbedaan koefisien difusi (perbedaan mobilitas) elektron dan lubang.

Efek Dember, diprakarsai oleh iluminasi berdenyut, digunakan untuk menghasilkan radiasi dalam kisaran terahertz. Efek Dember paling menonjol pada semikonduktor dengan mobilitas elektron tinggi dan celah sempit seperti InSb dan InAs.[banner_adsense]

Foto penghalang-EMF

Gerbang atau penghalang foto-EMF dihasilkan dari pemisahan elektron dan lubang oleh medan listrik dari penghalang Schottky dalam kasus kontak logam-semikonduktor, serta lapangan p-n-junction atau heterojunction.

Arus di sini dibentuk oleh pergerakan kedua pembawa muatan yang dihasilkan secara langsung di wilayah persimpangan pn, dan pembawa yang tereksitasi di daerah yang dekat dengan elektroda dan mencapai daerah medan kuat melalui difusi.

Pemisahan pasangan mendorong pembentukan aliran lubang di wilayah p dan aliran elektron di wilayah n. Jika sirkuit terbuka, maka EMF bertindak dalam arah langsung untuk sambungan p-n, sehingga tindakannya mengkompensasi fenomena aslinya.

Efek ini adalah dasar dari fungsi sel surya dan detektor radiasi yang sangat sensitif dengan respons rendah.

Foto volumetrik-EMF

Foto-EMF massal, seperti namanya, muncul sebagai akibat dari pemisahan pasangan pembawa muatan dalam sebagian besar sampel pada ketidakhomogenan yang terkait dengan perubahan konsentrasi dopan atau dengan perubahan komposisi kimia (jika semikonduktor adalah senyawa).

Di sini, alasan pemisahan pasangan disebut Medan listrik lawan yang diciptakan oleh perubahan posisi level Fermi, yang pada gilirannya bergantung pada konsentrasi pengotor. Atau, jika kita berbicara tentang semikonduktor dengan komposisi kimia yang kompleks, pemisahan pasangan dihasilkan dari perubahan lebar pita.

Fenomena munculnya fotolistrik curah berlaku untuk penyelidikan semikonduktor untuk menentukan tingkat homogenitasnya. Resistansi sampel juga terkait dengan ketidakhomogenan.

Foto-EMF tegangan tinggi

Foto-EMF abnormal (tegangan tinggi) terjadi ketika iluminasi yang tidak seragam menyebabkan medan listrik diarahkan sepanjang permukaan sampel. Besarnya EMF yang dihasilkan akan sebanding dengan panjang area yang diterangi dan dapat mencapai 1000 volt atau lebih.

Mekanismenya dapat disebabkan oleh efek Dember, jika arus difus memiliki komponen yang diarahkan ke permukaan, atau oleh pembentukan struktur p-n-p-n-p yang diproyeksikan ke permukaan. EMF tegangan tinggi yang dihasilkan adalah total EMF dari setiap pasangan sambungan n-p dan p-n asimetris.

Efek fotoepizoelektrik

Efek photoepizoelectric adalah fenomena munculnya arus foto atau photoemf selama deformasi sampel. Salah satu mekanismenya adalah munculnya EMF massal selama deformasi tidak homogen, yang menyebabkan perubahan parameter semikonduktor.

Mekanisme lain untuk munculnya EMF fotoepisoelektrik adalah EMF Dember transversal, yang terjadi di bawah deformasi uniaksial, yang menyebabkan anisotropi koefisien difusi pembawa muatan.

Mekanisme yang terakhir paling efektif dalam deformasi semikonduktor multivalley, yang mengarah ke redistribusi pembawa antar lembah.

Kami telah melihat semua efek fotovoltaik dari tipe pertama, kemudian kami akan melihat efek yang dikaitkan dengan tipe kedua.

Efek tarik-menarik elektron oleh foton

Efek ini terkait dengan asimetri dalam distribusi fotoelektron terhadap momentum yang diperoleh dari foton. Dalam struktur dua dimensi dengan transisi miniband optik, arus foto geser terutama disebabkan oleh transisi elektron dengan arah momentum tertentu dan dapat secara signifikan melebihi arus yang sesuai dalam kristal curah.

Efek fotovoltaik linier

Efek ini disebabkan distribusi fotoelektron asimetris dalam sampel. Di sini, asimetri dibentuk oleh dua mekanisme, yang pertama balistik, terkait dengan arah pulsa selama transisi kuantum, dan yang kedua adalah geser, karena pergeseran pusat gravitasi paket gelombang elektron selama transisi kuantum.

Efek fotovoltaik linier tidak terkait dengan transfer momentum dari foton ke elektron, oleh karena itu, dengan polarisasi linier tetap, tidak berubah ketika arah rambat cahaya dibalik. Proses penyerapan dan hamburan cahaya dan rekombinasi berkontribusi pada saat ini (kontribusi ini dikompensasi pada kesetimbangan termal).

Efek ini, diterapkan pada dielektrik, memungkinkan penerapan mekanisme memori optik, karena mengarah pada perubahan indeks bias, yang bergantung pada intensitas cahaya, dan berlanjut bahkan setelah dimatikan.

Efek fotovoltaik melingkar

Efeknya terjadi ketika diterangi oleh cahaya terpolarisasi elips atau sirkuler dari kristal gyrotropic. EMF membalik tanda ketika polarisasi berubah. Alasan efeknya terletak pada hubungan antara spin dan momentum elektron, yang melekat pada kristal gyrotropic. Ketika elektron dieksitasi oleh cahaya terpolarisasi sirkuler, putarannya berorientasi optik, dan karenanya terjadi pulsa arus terarah.

?

Kehadiran efek sebaliknya diekspresikan dalam penampilan aktivitas optik di bawah aksi arus: arus yang ditransmisikan menyebabkan orientasi putaran dalam kristal gyrotropic.

Tiga efek terakhir berfungsi di penerima inersia. radiasi laser.

Efek fotovoltaik permukaan

Efek fotovoltaik permukaan terjadi ketika cahaya dipantulkan atau diserap oleh pembawa muatan bebas dalam logam dan semikonduktor karena transfer momentum dari foton ke elektron selama insiden cahaya miring dan juga selama insiden normal jika normal ke permukaan kristal berbeda. arah dari salah satu sumbu kristal utama.

Efeknya terdiri dari fenomena hamburan pembawa muatan yang tereksitasi cahaya pada permukaan sampel. Dalam kasus absorpsi interband, ini terjadi dengan syarat bahwa sebagian besar pembawa tereksitasi mencapai permukaan tanpa hamburan.

Jadi ketika elektron dipantulkan dari permukaan, arus balistik terbentuk, diarahkan tegak lurus ke permukaan. Jika, setelah tereksitasi, elektron mengatur dirinya sendiri dalam inersia, arus yang diarahkan sepanjang permukaan dapat muncul.

Kondisi terjadinya efek ini adalah perbedaan tanda komponen bukan nol dari nilai rata-rata momentum "menuju permukaan" dan "dari permukaan" untuk elektron yang bergerak di sepanjang permukaan. Kondisi tersebut terpenuhi, misalnya, dalam kristal kubik, setelah eksitasi pembawa muatan dari pita valensi yang merosot ke pita konduksi.

Dalam hamburan difus oleh suatu permukaan, elektron yang mencapainya kehilangan komponen momentum di sepanjang permukaan, sementara elektron yang menjauh dari permukaan mempertahankannya. Ini mengarah pada munculnya arus di permukaan.