Efecte fotovoltaic i les seves varietats
Per primera vegada, l'anomenat efecte fotovoltaic (o fotovoltaic) va ser observat l'any 1839 pel físic francès Alexandre Edmond Becquerel.
Experimentant al laboratori del seu pare, va descobrir que il·luminant plaques de platí immerses en una solució electrolítica, un galvanòmetre connectat a les plaques indicava la presència de força electromotriu… Aviat l'Edmund, de dinou anys, va trobar una aplicació útil per al seu descobriment: va crear un actinògraf, un dispositiu per registrar la intensitat de la llum incident.
Actualment, els efectes fotovoltaics inclouen tot un grup de fenòmens, d'una manera o altra, relacionats amb l'aparició d'un corrent elèctric en un circuit tancat, que inclou una mostra dielèctrica o semiconductora il·luminada, o el fenomen CEM en una mostra il·luminada, si el circuit extern obert. En aquest cas, es distingeixen dos tipus d'efectes fotovoltaics.
El primer tipus d'efectes fotovoltaics inclouen: foto-EMF elèctrica alta, foto-EMF de volum, foto-EMF de vàlvula, així com l'efecte fotoepizoelèctric i l'efecte Dember.
Els efectes fotovoltaics del segon tipus inclouen: l'efecte d'arrossegament d'electrons per fotons, així com els efectes fotovoltaics de superfície, circulars i lineals.
Efectes del primer i segon tipus
Els efectes fotovoltaics del primer tipus són causats per un procés en què un efecte de llum genera portadors de càrrega elèctrica mòbils de dos caràcters: electrons i forats, cosa que condueix a la seva separació a l'espai de la mostra.
La possibilitat de separació està relacionada en aquest cas o bé amb la deshomogeneïtat de la mostra (la seva superfície es pot considerar com la deshomogeneïtat de la mostra) o amb la deshomogeneïtat de la il·luminació quan s'absorbeix la llum prop de la superfície o quan només una part de la La superfície de la mostra està il·luminada, de manera que l'EMF sorgeix a causa d'un augment de la velocitat del moviment tèrmic dels electrons sota la influència de la llum que cau sobre ells.
Els efectes fotovoltaics del segon tipus estan associats a l'asimetria dels processos elementals d'excitació dels portadors de càrrega per la llum, l'asimetria de la seva dispersió i recombinació.
Els efectes d'aquest tipus apareixen sense la formació addicional de parells de portadors de càrrega oposats, són causats per transicions entre bandes o poden estar relacionats amb l'excitació dels portadors de càrrega per impureses, a més, poden ser causats per l'absorció d'energia lumínica per part del transportistes de càrrega gratuïta.
A continuació, analitzem els mecanismes dels efectes fotovoltaics. Primer mirarem els efectes fotovoltaics del primer tipus, després centrarem la nostra atenció en els efectes del segon tipus.
Efecte més gruixut
L'efecte Dember es pot produir amb una il·luminació uniforme de la mostra, simplement a causa de la diferència en les taxes de recombinació superficial als seus costats oposats. Amb una il·luminació desigual de la mostra, l'efecte Dember és causat per la diferència en els coeficients de difusió (diferència de mobilitat) d'electrons i forats.
L'efecte Dember, iniciat per la il·luminació polsada, s'utilitza per generar radiació en el rang de terahertz. L'efecte Dember és més pronunciat en semiconductors d'alta mobilitat d'electrons i espais estrets, com ara InSb i InAs.[banner_adsense]
Barrera foto-EMF
La porta o barrera foto-EMF resulta de la separació d'electrons i forats per un camp elèctric de la barrera Schottky en el cas d'un contacte metall-semiconductor, així com el camp unió p-n o heterojunció.
El corrent aquí està format pel moviment dels dos portadors de càrrega generats directament a la regió de la unió pn, i dels portadors que s'exciten a les regions properes a l'elèctrode i arriben a la regió del camp fort per difusió.
La separació de parells promou la formació de flux de forats a la regió p i el flux d'electrons a la regió n. Si el circuit està obert, aleshores l'EMF actua en la direcció directa de la unió p-n, de manera que la seva acció compensa el fenomen original.
Aquest efecte és la base del funcionament cèl·lules solars i detectors de radiació altament sensibles amb baixa resposta.
Foto-EMF volumètric
La foto-EMF a granel, com el seu nom indica, sorgeix com a resultat de la separació de parells de portadors de càrrega en la major part de la mostra en homogeneïtats associades amb un canvi en la concentració del dopant o amb un canvi en la composició química (si el semiconductor és compost).
Aquí, el motiu de la separació de les parelles és l'anomenat Un contracamp elèctric creat per un canvi en la posició del nivell de Fermi, que al seu torn depèn de la concentració d'impureses. O, si estem parlant d'un semiconductor amb una composició química complexa, la divisió de parells resulta d'un canvi d'amplada de banda.
El fenomen de l'aparició de fotoelèctrics a granel és aplicable al sondeig de semiconductors per determinar el grau de la seva homogeneïtat. La resistència de la mostra també està relacionada amb les inhomogeneïtats.
Foto-EMF d'alta tensió
La foto-EMF anormal (alta tensió) es produeix quan la il·luminació no uniforme provoca un camp elèctric dirigit al llarg de la superfície de la mostra. La magnitud de l'EMF resultant serà proporcional a la longitud de l'àrea il·luminada i pot arribar als 1000 volts o més.
El mecanisme pot ser causat per l'efecte Dember, si el corrent difús té un component dirigit a la superfície, o per la formació d'una estructura p-n-p-n-p que es projecta a la superfície. La FEM d'alta tensió resultant és la FEM total de cada parell d'unions n-p i p-n asimètriques.
Efecte fotoepizoelèctric
L'efecte fotoepizoelèctric és el fenomen de l'aparició d'un fotocorrent o fotoemf durant la deformació de la mostra. Un dels seus mecanismes és l'aparició de CEM a granel durant la deformació no homogènia, que comporta un canvi en els paràmetres del semiconductor.
Un altre mecanisme per a l'aparició de CEM fotoepisoelèctrics és el CEM transversal Dember, que es produeix sota deformació uniaxial, que provoca anisotropia del coeficient de difusió dels portadors de càrrega.
Aquest últim mecanisme és més eficaç en les deformacions de semiconductors multivall, donant lloc a una redistribució de portadors entre valls.
Hem observat tots els efectes fotovoltaics del primer tipus, després veurem els efectes atribuïts al segon tipus.
L'efecte de l'atracció d'electrons pels fotons
Aquest efecte està relacionat amb l'asimetria en la distribució dels fotoelectrons sobre l'impuls obtingut a partir dels fotons. En estructures bidimensionals amb transicions de minibanda òptica, el fotocorrent lliscant és causat principalment per transicions d'electrons amb una certa direcció d'impuls i pot superar significativament el corrent corresponent en els cristalls a granel.
Efecte fotovoltaic lineal
Aquest efecte es deu a la distribució asimètrica dels fotoelectrons a la mostra. Aquí, l'asimetria està formada per dos mecanismes, el primer dels quals és balístic, relacionat amb la direccionalitat del pols durant les transicions quàntiques, i el segon és el cisallament, a causa del desplaçament del centre de gravetat del paquet d'ones d'electrons durant les transicions quàntiques.
L'efecte fotovoltaic lineal no està relacionat amb la transferència d'impuls dels fotons als electrons, per tant, amb una polarització lineal fixa, no canvia quan s'inverteix la direcció de propagació de la llum.Els processos d'absorció i dispersió i recombinació de la llum contribueixen a la corrent (aquestes contribucions es compensen en equilibri tèrmic).
Aquest efecte, aplicat als dielèctrics, permet aplicar el mecanisme de la memòria òptica, perquè provoca un canvi en l'índex de refracció, que depèn de la intensitat de la llum, i continua fins i tot després d'apagar-la.
Efecte fotovoltaic circular
L'efecte es produeix quan s'il·lumina amb llum polaritzada el·lípticament o circularment de cristalls girotròpics. L'EMF inverteix el signe quan canvia la polarització. La raó de l'efecte rau en la relació entre l'espin i l'impuls electrònic, que és inherent als cristalls girotròpics. Quan els electrons són excitats per llum polaritzada circularment, els seus girs estan orientats òpticament i, en conseqüència, es produeix un pols de corrent direccional.
La presència de l'efecte contrari s'expressa en l'aparició d'activitat òptica sota l'acció d'un corrent: el corrent transmès provoca l'orientació dels girs en els cristalls girotròpics.
Els tres últims efectes serveixen en receptors inercials. radiació làser.
Efecte fotovoltaic superficial
L'efecte fotovoltaic superficial es produeix quan la llum és reflectida o absorbida pels portadors de càrrega lliure en metalls i semiconductors a causa de la transferència d'impuls dels fotons als electrons durant la incidència obliqua de la llum i també durant la incidència normal si la normal a la superfície del cristall difereix en direcció d'un dels principals eixos de cristall.
L'efecte consisteix en el fenomen de dispersió de portadors de càrrega excitats per la llum a la superfície de la mostra. En el cas de l'absorció interbanda, es produeix amb la condició que una part important dels portadors excitats arribin a la superfície sense dispersió.
Així, quan els electrons es reflecteixen des de la superfície, es forma un corrent balístic, dirigit perpendicularment a la superfície. Si, en excitar-se, els electrons es disposen en inèrcia, pot aparèixer un corrent dirigit al llarg de la superfície.
La condició per a l'aparició d'aquest efecte és la diferència en el signe dels components diferents de zero dels valors mitjans de l'impuls "cap a la superfície" i "des de la superfície" per als electrons que es mouen al llarg de la superfície. La condició es compleix, per exemple, en cristalls cúbics, en excitar els portadors de càrrega de la banda de valència degenerada a la banda de conducció.
En la dispersió difusa per una superfície, els electrons que hi arriben perden la component de l'impuls al llarg de la superfície, mentre que els electrons que s'allunyen de la superfície la retenen. Això condueix a l'aparició d'un corrent a la superfície.