Effetto fotovoltaico e sue varietà
Per la prima volta il cosiddetto effetto fotovoltaico (o fotovoltaico) fu osservato nel 1839 dal fisico francese Alexandre Edmond Becquerel.
Sperimentando nel laboratorio del padre, scoprì che illuminando lastre di platino immerse in una soluzione elettrolitica, un galvanometro collegato alle lastre indicava la presenza di forza elettromotiva… Ben presto il diciannovenne Edmund trovò un'utile applicazione per la sua scoperta - creò un actinografo - un dispositivo per registrare l'intensità della luce incidente.
Oggi, gli effetti fotovoltaici includono un intero gruppo di fenomeni, in un modo o nell'altro, legati alla comparsa di una corrente elettrica in un circuito chiuso, che include un semiconduttore illuminato o un campione dielettrico, o il fenomeno EMF su un campione illuminato, se il il circuito esterno è aperto. In questo caso si distinguono due tipi di effetti fotovoltaici.
Il primo tipo di effetti fotovoltaici comprende: foto-EMF elettrica elevata, foto-EMF di volume, foto-EMF valvolare, nonché l'effetto fotoepizoelettrico e l'effetto Dember.
Gli effetti fotovoltaici del secondo tipo includono: l'effetto di trascinamento di elettroni da parte di fotoni, nonché effetti fotovoltaici superficiali, circolari e lineari.
Effetti del primo e del secondo tipo
Gli effetti fotovoltaici del primo tipo sono causati da un processo in cui un effetto luminoso genera portatori di carica elettrica mobili di due caratteri: elettroni e lacune, che porta alla loro separazione nello spazio del campione.
La possibilità di separazione è correlata in questo caso o alla disomogeneità del campione (la sua superficie può essere considerata come la disomogeneità del campione) o alla disomogeneità dell'illuminazione quando la luce viene assorbita vicino alla superficie o quando solo una parte del superficie del campione è illuminata , quindi l'EMF sorge a causa di un aumento della velocità del movimento termico degli elettroni sotto l'influenza della luce che cade su di essi.
Gli effetti fotovoltaici del secondo tipo sono associati all'asimmetria dei processi elementari di eccitazione dei portatori di carica da parte della luce, all'asimmetria della loro diffusione e ricombinazione.
Effetti di questo tipo si manifestano senza la formazione aggiuntiva di coppie di portatori di carica opposti, sono causati da transizioni interbanda o possono essere correlati all'eccitazione di portatori di carica da parte di impurità, inoltre, possono essere causati dall'assorbimento di energia luminosa da parte del corrieri gratuiti.
Successivamente, diamo un'occhiata ai meccanismi degli effetti fotovoltaici. Dapprima esamineremo gli effetti fotovoltaici del primo tipo, quindi rivolgeremo la nostra attenzione agli effetti del secondo tipo.
Effetto più spesso
L'effetto Dember può verificarsi sotto un'illuminazione uniforme del campione, semplicemente a causa della differenza nei tassi di ricombinazione superficiale sui suoi lati opposti. Con un'illuminazione irregolare del campione, l'effetto Dember è causato dalla differenza nei coefficienti di diffusione (differenza di mobilità) di elettroni e lacune.
L'effetto Dember, avviato dall'illuminazione pulsata, viene utilizzato per generare radiazioni nella gamma dei terahertz. L'effetto Dember è più pronunciato nei semiconduttori a gap stretto e ad alta mobilità elettronica come InSb e InAs.[banner_adsense]
Barriera foto-EMF
Il gate o barriera foto-EMF risulta dalla separazione di elettroni e lacune da parte di un campo elettrico della barriera Schottky nel caso di contatto metallo-semiconduttore, oltre al campo p-n-giunzione o eterogiunzione.
La corrente qui è formata dal movimento sia dei portatori di carica generati direttamente nella regione della giunzione pn, sia di quei portatori che sono eccitati nelle regioni vicine all'elettrodo e raggiungono la regione del campo forte per diffusione.
La separazione delle coppie promuove la formazione del flusso di lacune nella regione p e del flusso di elettroni nella regione n. Se il circuito è aperto, l'EMF agisce nella direzione diretta per la giunzione p-n, quindi la sua azione compensa il fenomeno originale.
Questo effetto è la base del funzionamento celle solari e rivelatori di radiazioni altamente sensibili con bassa risposta.
Foto-EMF volumetrico
Bulk photo-EMF, come suggerisce il nome, nasce come risultato della separazione di coppie di portatori di carica nella maggior parte del campione a disomogeneità associate a un cambiamento nella concentrazione del drogante o a un cambiamento nella composizione chimica (se il semiconduttore è composto).
Qui, il motivo della separazione delle coppie è il cosiddetto Un controcampo elettrico creato da un cambiamento nella posizione del livello di Fermi, che a sua volta dipende dalla concentrazione di impurità. Oppure, se stiamo parlando di un semiconduttore con una composizione chimica complessa, la divisione delle coppie risulta da un cambiamento nella larghezza di banda.
Il fenomeno della comparsa di fotoelettrici di massa è applicabile al sondaggio dei semiconduttori per determinare il grado della loro omogeneità. La resistenza del campione è anche correlata alle disomogeneità.
Foto-EMF ad alta tensione
Foto-EMF anomala (alta tensione) si verifica quando l'illuminazione non uniforme provoca un campo elettrico diretto lungo la superficie del campione. L'entità dell'EMF risultante sarà proporzionale alla lunghezza dell'area illuminata e può raggiungere i 1000 volt o più.
Il meccanismo può essere causato o dall'effetto Dember, se la corrente diffusa ha una componente diretta in superficie, o dalla formazione di una struttura p-n-p-n-p proiettata in superficie. L'EMF ad alta tensione risultante è l'EMF totale di ciascuna coppia di giunzioni n-p e p-n asimmetriche.
Effetto fotoepizoelettrico
L'effetto fotoepizoelettrico è il fenomeno della comparsa di una fotocorrente o fotoemf durante la deformazione del campione. Uno dei suoi meccanismi è la comparsa di campi elettromagnetici di massa durante la deformazione disomogenea, che porta a un cambiamento nei parametri del semiconduttore.
Un altro meccanismo per la comparsa dell'EMF fotoepisoelettrico è l'EMF di Dember trasversale, che si verifica sotto deformazione uniassiale, che causa l'anisotropia del coefficiente di diffusione dei portatori di carica.
Quest'ultimo meccanismo è più efficace nelle deformazioni dei semiconduttori multivalle, portando a una ridistribuzione dei portatori tra le valli.
Abbiamo esaminato tutti gli effetti fotovoltaici del primo tipo, poi esamineremo gli effetti attribuiti al secondo tipo.
L'effetto dell'attrazione degli elettroni da parte dei fotoni
Questo effetto è correlato all'asimmetria nella distribuzione dei fotoelettroni sulla quantità di moto ottenuta dai fotoni. Nelle strutture bidimensionali con transizioni ottiche in minibanda, la fotocorrente scorrevole è principalmente causata da transizioni di elettroni con una certa direzione del momento e può superare significativamente la corrente corrispondente nei cristalli sfusi.
Effetto fotovoltaico lineare
Questo effetto è dovuto alla distribuzione asimmetrica dei fotoelettroni nel campione. Qui l'asimmetria è formata da due meccanismi, il primo dei quali è balistico, legato alla direzionalità dell'impulso durante le transizioni quantistiche, e il secondo è di taglio, dovuto allo spostamento del baricentro del pacchetto d'onda di elettroni durante le transizioni quantistiche.
L'effetto fotovoltaico lineare non è correlato al trasferimento di quantità di moto dai fotoni agli elettroni, quindi, con una polarizzazione lineare fissa, non cambia quando la direzione di propagazione della luce è invertita.I processi di assorbimento della luce e diffusione e ricombinazione contribuiscono alla corrente (questi contributi sono compensati all'equilibrio termico).
Questo effetto, applicato ai dielettrici, permette di applicare il meccanismo della memoria ottica, perché porta ad una variazione dell'indice di rifrazione, che dipende dall'intensità della luce, e continua anche dopo lo spegnimento.
Effetto fotovoltaico circolare
L'effetto si verifica quando illuminato da luce polarizzata ellittica o circolare da cristalli girotropici. L'EMF inverte il segno quando cambia la polarizzazione. La ragione dell'effetto risiede nella relazione tra spin e quantità di moto dell'elettrone, che è inerente ai cristalli girotropici. Quando gli elettroni sono eccitati dalla luce polarizzata circolarmente, i loro spin sono orientati otticamente e di conseguenza si verifica un impulso di corrente direzionale.
La presenza dell'effetto opposto si esprime nella comparsa di attività ottica sotto l'azione di una corrente: la corrente trasmessa provoca l'orientamento degli spin nei cristalli girotropici.
Gli ultimi tre effetti servono nei ricevitori inerziali. radiazione laser.
Effetto fotovoltaico di superficie
L'effetto fotovoltaico superficiale si verifica quando la luce viene riflessa o assorbita dai portatori di carica liberi nei metalli e nei semiconduttori a causa del trasferimento di quantità di moto dai fotoni agli elettroni durante l'incidenza obliqua della luce e anche durante l'incidenza normale se la normale alla superficie del cristallo differisce in direzione da uno degli assi principali del cristallo.
L'effetto consiste nel fenomeno di diffusione di portatori di carica eccitati dalla luce sulla superficie del campione. Nel caso dell'assorbimento interbanda, avviene a condizione che una frazione significativa dei portatori eccitati raggiunga la superficie senza scattering.
Quindi, quando gli elettroni vengono riflessi dalla superficie, si forma una corrente balistica, diretta perpendicolarmente alla superficie. Se, per eccitazione, gli elettroni si dispongono in modo inerziale, può apparire una corrente diretta lungo la superficie.
La condizione per il verificarsi di questo effetto è la differenza nel segno delle componenti diverse da zero dei valori medi di quantità di moto "verso la superficie" e "dalla superficie" per gli elettroni che si muovono lungo la superficie. La condizione è soddisfatta, ad esempio, nei cristalli cubici, all'eccitazione dei portatori di carica dalla banda di valenza degenere alla banda di conduzione.
Nello scattering diffuso da una superficie, gli elettroni che la raggiungono perdono la componente della quantità di moto lungo la superficie, mentre gli elettroni che si allontanano dalla superficie la trattengono. Questo porta alla comparsa di una corrente sulla superficie.