Fotovoltaični učinek in njegove različice
Prvič je tako imenovani fotonapetostni (ali fotovoltaični) učinek leta 1839 opazil francoski fizik Alexandre Edmond Becquerel.
Med eksperimentiranjem v očetovem laboratoriju je odkril, da z osvetlitvijo platinastih plošč, potopljenih v elektrolitsko raztopino, galvanometer, povezan s ploščami, pokaže prisotnost elektromotorna sila… Kmalu je devetnajstletni Edmund našel uporabno aplikacijo za svoje odkritje – ustvaril je aktinograf – napravo za beleženje jakosti vpadne svetlobe.
Danes med fotovoltaične učinke uvrščamo celo skupino pojavov, ki so tako ali drugače povezani s pojavom električnega toka v sklenjenem krogu, kamor sodi osvetljen vzorec polprevodnika ali dielektrika, ali pa pojav EMF na osvetljenem vzorcu, če zunanje vezje odprto. V tem primeru ločimo dve vrsti fotovoltaičnih učinkov.
Prva vrsta fotonapetostnih učinkov vključuje: visokoelektrični foto-EMF, volumski foto-EMF, ventilski foto-EMF, pa tudi fotoepizoelektrični učinek in Demberjev učinek.
Fotovoltaični učinki druge vrste vključujejo: učinek vlečenja elektronov s fotoni ter površinske, krožne in linearne fotovoltaične učinke.
Učinki prve in druge vrste
Fotonapetostni učinki prve vrste nastanejo zaradi procesa, pri katerem svetlobni učinek ustvari mobilne nosilce električnega naboja dveh karakterjev - elektrone in luknje, kar vodi do njihove ločitve v prostoru vzorca.
Možnost ločevanja je v tem primeru povezana bodisi z nehomogenostjo vzorca (njegovo površino lahko štejemo za nehomogenost vzorca) bodisi z nehomogenostjo osvetlitve, ko se svetloba absorbira blizu površine ali ko je le del površina vzorca je osvetljena, zato EMF nastane zaradi povečanja hitrosti toplotnega gibanja elektronov pod vplivom svetlobe, ki pada nanje.
Fotovoltaični učinki druge vrste so povezani z asimetrijo elementarnih procesov vzbujanja nosilcev naboja s svetlobo, asimetrijo njihovega sipanja in rekombinacije.
Tovrstni učinki se pojavijo brez dodatne tvorbe parov nasprotnih nosilcev naboja, nastanejo zaradi medpasovnih prehodov ali pa so lahko povezani z vzbujanjem nosilcev naboja z nečistočami, poleg tega pa jih lahko povzroči absorpcija svetlobne energije s strani brezplačni nosilci polnjenja.
Nato si poglejmo mehanizme fotovoltaičnih učinkov. Najprej si bomo ogledali fotonapetostne učinke prve vrste, nato pa pozornost usmerili na učinke druge vrste.
Debelejši učinek
Demberjev učinek se lahko pojavi pri enakomerni osvetlitvi vzorca preprosto zaradi razlike v stopnjah površinske rekombinacije na njegovih nasprotnih straneh. Pri neenakomerni osvetlitvi vzorca nastane Demberjev učinek zaradi razlike v difuzijskih koeficientih (razlika v mobilnosti) elektronov in lukenj.
Demberjev učinek, ki ga sproži pulzna osvetlitev, se uporablja za ustvarjanje sevanja v območju terahercev. Demberjev učinek je najbolj izrazit pri polprevodnikih z visoko gibljivostjo elektronov in z ozko režo, kot sta InSb in InAs.[banner_adsense]
Pregrada foto-EMF
Vrata ali pregrade foto-EMF nastanejo zaradi ločevanja elektronov in lukenj z električnim poljem Schottkyjeve pregrade v primeru stika kovina-polprevodnik pa tudi polje p-n-stičišče ali heterospoj.
Tok tukaj nastane z gibanjem tako nosilcev naboja, ki nastanejo neposredno v območju pn-spojnice, kot tistih nosilcev, ki se vzbujajo v območjih blizu elektrode in z difuzijo dosežejo področje močnega polja.
Ločitev parov spodbuja nastanek toka lukenj v območju p in toka elektronov v območju n. Če je vezje odprto, potem EMF deluje v neposredni smeri za p-n spoj, tako da njegovo delovanje kompenzira prvotni pojav.
Ta učinek je osnova delovanja sončne celice in visoko občutljivi detektorji sevanja z nizko odzivnostjo.
Volumetrični foto-EMF
Masivni foto-EMF, kot že ime pove, nastane kot posledica ločevanja parov nosilcev naboja v masi vzorca pri nehomogenostih, povezanih s spremembo koncentracije dopanta ali s spremembo kemične sestave (če polprevodnik je sestavljen).
Tukaj je razlog za ločitev parov t.i Protielektrično polje, ustvarjeno s spremembo položaja Fermijeve ravni, ki je odvisna od koncentracije nečistoč. Ali, če govorimo o polprevodniku s kompleksno kemično sestavo, je cepitev parov posledica spremembe širine pasu.
Pojav pojava množičnih fotoelektrikov je uporaben za sondiranje polprevodnikov za določitev stopnje njihove homogenosti. Odpornost vzorca je povezana tudi z nehomogenostmi.
Visokonapetostni foto-EMF
Nenormalni (visokonapetostni) foto-EMF se pojavi, ko neenakomerna osvetlitev povzroči električno polje, usmerjeno vzdolž površine vzorca. Velikost nastalega EMF bo sorazmerna z dolžino osvetljenega območja in lahko doseže 1000 voltov ali več.
Mehanizem je lahko posledica bodisi Demberjevega učinka, če ima difuzni tok površinsko usmerjeno komponento, bodisi tvorbe strukture p-n-p-n-p, ki štrli na površino. Nastali visokonapetostni EMF je skupni EMF vsakega para asimetričnih n-p in p-n spojev.
Fotoepizoelektrični učinek
Fotoepizoelektrični učinek je pojav pojava fototoka ali fotoemf med deformacijo vzorca. Eden od njegovih mehanizmov je pojav množičnega EMF med nehomogeno deformacijo, kar vodi do spremembe parametrov polprevodnika.
Drugi mehanizem za pojav fotoepizoelektričnega EMF je prečni Demberjev EMF, ki nastane pri enoosni deformaciji, kar povzroči anizotropijo difuzijskega koeficienta nosilcev naboja.
Slednji mehanizem je najučinkovitejši pri deformacijah polprevodnikov z več dolinami, kar vodi do prerazporeditve nosilcev med dolinami.
Ogledali smo si vse fotovoltaične učinke prve vrste, nato pa si bomo ogledali učinke, ki jih pripisujemo drugi vrsti.
Učinek privlačnosti elektronov s fotoni
Ta učinek je povezan z asimetrijo v porazdelitvi fotoelektronov glede na zagon, pridobljen iz fotonov. V dvodimenzionalnih strukturah z optičnimi minipasovnimi prehodi je drsni fototok v glavnem posledica prehodov elektronov z določeno smerjo momenta in lahko znatno preseže ustrezen tok v velikih kristalih.
Linearni fotovoltaični učinek
Ta učinek je posledica asimetrične porazdelitve fotoelektronov v vzorcu. Tu asimetrijo tvorita dva mehanizma, od katerih je prvi balistični, povezan z usmerjenostjo impulza med kvantnimi prehodi, drugi pa strižni, zaradi premika težišča valovnega paketa elektronov med kvantne prehode.
Linearni fotonapetostni učinek ni povezan s prenosom gibalne količine od fotonov do elektronov, zato se pri fiksni linearni polarizaciji ne spremeni, ko se smer širjenja svetlobe obrne.Procesi absorpcije svetlobe ter sipanja in rekombinacije prispevajo k tok (ti prispevki se kompenzirajo pri toplotnem ravnovesju).
Ta učinek, ki se uporablja za dielektrike, omogoča uporabo mehanizma optičnega pomnilnika, ker vodi do spremembe lomnega količnika, ki je odvisen od intenzivnosti svetlobe, in se nadaljuje tudi po izklopu.
Krožni fotovoltaični učinek
Učinek se pojavi pri osvetlitvi z eliptično ali krožno polarizirano svetlobo žirotropnih kristalov. EMF obrne predznak, ko se polarizacija spremeni. Razlog za učinek je v razmerju med spinom in gibalno količino elektronov, ki je lastno žirotropnim kristalom. Ko so elektroni vzbujeni s krožno polarizirano svetlobo, so njihovi vrtljaji optično usmerjeni in temu primerno pride do usmerjenega tokovnega impulza.
Prisotnost nasprotnega učinka se izraža v pojavu optične aktivnosti pod delovanjem toka: preneseni tok povzroči orientacijo vrtljajev v žirotropnih kristalih.
Zadnji trije učinki se uporabljajo v inercialnih sprejemnikih. lasersko sevanje.
Površinski fotovoltaični učinek
Površinski fotovoltaični učinek nastane, ko se svetloba odbije ali absorbira od prostih nosilcev naboja v kovinah in polprevodnikih zaradi prenosa gibalne količine od fotonov na elektrone med poševnim vpadom svetlobe in tudi med normalnim vpadom, če se normala na površino kristala razlikuje v smeri od ene od glavnih kristalnih osi.
Učinek je sestavljen iz pojava sipanja svetlobno vzbujenih nosilcev naboja na površini vzorca. V primeru medpasovne absorpcije se pojavi pod pogojem, da znaten delež vzbujenih nosilcev doseže površino brez sipanja.
Torej, ko se elektroni odbijejo od površine, nastane balistični tok, usmerjen pravokotno na površino. Če se elektroni ob vzbujanju razporedijo vztrajnostno, se lahko pojavi tok, usmerjen vzdolž površine.
Pogoj za pojav tega učinka je razlika v predznaku neničelnih komponent povprečnih vrednosti gibalne količine "proti površini" in "od površine" za elektrone, ki se gibljejo vzdolž površine. Pogoj je izpolnjen na primer v kubičnih kristalih, ko vzbujajo nosilce naboja iz degeneriranega valenčnega pasu v prevodni pas.
Pri difuznem sipanju na površini elektroni, ki jo dosežejo, izgubijo komponento gibalne količine vzdolž površine, medtem ko jo elektroni, ki se oddaljujejo od površine, ohranijo. To vodi do pojava toka na površini.