ผลกระทบของไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และพันธุ์ของมัน

เป็นครั้งแรกที่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าโฟโตโวลตาอิก (หรือเซลล์แสงอาทิตย์) ถูกสังเกตในปี พ.ศ. 2382 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alexandre Edmond Becquerel

จากการทดลองในห้องทดลองของบิดา เขาค้นพบว่าด้วยการส่องแผ่นแพลทินัมที่แช่อยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ กัลวาโนมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับแผ่นบ่งชี้ว่ามี แรงเคลื่อนไฟฟ้า… ไม่นานนัก Edmund วัย 19 ปีก็พบแอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์สำหรับการค้นพบของเขา — เขาได้สร้างแอคติโนกราฟ — ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับบันทึกความเข้มของแสงที่ตกกระทบ

ทุกวันนี้ ผลกระทบของเซลล์แสงอาทิตย์รวมถึงปรากฏการณ์ทั้งกลุ่ม ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ที่เกี่ยวข้องกับการปรากฏตัวของกระแสไฟฟ้าในวงจรปิด ซึ่งรวมถึงสารกึ่งตัวนำที่ส่องสว่างหรือตัวอย่างไดอิเล็กทริก หรือปรากฏการณ์ EMF บนตัวอย่างที่ส่องสว่าง ถ้า วงจรภายนอกเปิดอยู่ ในกรณีนี้ เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์แบ่งออกเป็นสองประเภท

เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์ประเภทแรก ได้แก่: โฟโต้อีเอ็มเอฟไฟฟ้าสูง, โฟโตโฟโตอีเอ็มเอฟแบบปริมาตร, โฟโตวอลตาอิกแบบวาล์ว-EMF รวมถึงเอฟเฟกต์โฟโตเอพิโซอิเล็กทริกและเอฟเฟกต์เดมเบอร์

ผลกระทบของโฟโตโวลตาอิกประเภทที่สองประกอบด้วย: ผลกระทบของการกักกันของอิเล็กตรอนโดยโฟตอน เช่นเดียวกับผลกระทบของโฟโตโวลตาอิกแบบพื้นผิว แบบวงกลม และเชิงเส้น

ผลของประเภทที่หนึ่งและสอง

ผลกระทบจากเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทแรกเกิดจากกระบวนการที่เอฟเฟกต์แสงสร้างตัวพาประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ที่มีอักขระสองตัว ได้แก่ อิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งนำไปสู่การแยกออกจากกันในช่องว่างของตัวอย่าง

ความเป็นไปได้ของการแยกมีความเกี่ยวข้องในกรณีนี้ทั้งกับความไม่สม่ำเสมอของตัวอย่าง (พื้นผิวสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นความไม่สม่ำเสมอของตัวอย่าง) หรือความไม่สม่ำเสมอของการส่องสว่างเมื่อแสงถูกดูดกลืนใกล้กับพื้นผิวหรือเมื่อเพียงบางส่วนของ พื้นผิวตัวอย่างสว่างขึ้น ดังนั้น EMF จึงเกิดขึ้นเนื่องจากความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นภายใต้อิทธิพลของแสงที่ตกกระทบ

ผลกระทบของไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ประเภทที่สองนั้นสัมพันธ์กับความไม่สมดุลของกระบวนการเบื้องต้นของการกระตุ้นตัวพาประจุด้วยแสง ความไม่สมมาตรของการกระเจิงและการรวมตัวกันใหม่

ผลกระทบของประเภทนี้ปรากฏขึ้นโดยไม่มีการก่อตัวของคู่ของพาหะประจุตรงข้ามเพิ่มเติม พวกมันเกิดจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบความถี่หรืออาจเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นพาหะของประจุโดยสิ่งเจือปน นอกจากนี้ พวกมันอาจเกิดจากการดูดซับพลังงานแสงโดย ผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายฟรี

ต่อไป เรามาดูกลไกของผลกระทบจากเซลล์แสงอาทิตย์กัน ก่อนอื่นเราจะดูที่ผลกระทบของเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทแรก จากนั้นจึงให้ความสนใจกับผลกระทบของประเภทที่สอง

ผลหนาขึ้น

เอฟเฟกต์ Dember สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้การส่องสว่างที่สม่ำเสมอของตัวอย่าง เพียงเพราะความแตกต่างของอัตราการรวมตัวกันของพื้นผิวที่ด้านตรงข้าม ด้วยการส่องสว่างตัวอย่างที่ไม่สม่ำเสมอ เอฟเฟกต์ Dember เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย (ความแตกต่างในการเคลื่อนที่) ของอิเล็กตรอนและโฮล

เอฟเฟกต์ Dember ซึ่งเริ่มต้นจากการส่องสว่างแบบพัลซิ่ง ถูกใช้เพื่อสร้างรังสีในช่วงเทราเฮิรตซ์ เอฟเฟกต์ Dember เด่นชัดที่สุดในสารกึ่งตัวนำที่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่สูงและมีช่องว่างแคบ เช่น InSb และ InAs[banner_adsense]

Barrier photo-EMF

ประตูหรือสิ่งกีดขวาง photo-EMF เกิดจากการแยกอิเล็กตรอนและโฮลด้วยสนามไฟฟ้า ของสิ่งกีดขวางชอตกี้ ในกรณีของหน้าสัมผัสโลหะ-สารกึ่งตัวนำ เช่นเดียวกับภาคสนาม p-n-ทางแยก หรือ heterojunction

กระแสที่นี่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของพาหะประจุทั้งสองที่สร้างขึ้นโดยตรงในบริเวณของจุดเชื่อมต่อ pn และพาหะเหล่านั้นที่ตื่นเต้นในบริเวณใกล้กับอิเล็กโทรดและไปถึงบริเวณสนามแรงโดยการแพร่กระจาย

การแยกคู่ส่งเสริมการก่อตัวของการไหลของรูในบริเวณ p และการไหลของอิเล็กตรอนในบริเวณ n หากวงจรเปิดอยู่ EMF จะทำหน้าที่ในทิศทางตรงสำหรับทางแยก p-n ดังนั้นการทำงานของวงจรจึงชดเชยปรากฏการณ์ดั้งเดิม

เอฟเฟกต์นี้เป็นพื้นฐานของการทำงาน พลังงานแสงอาทิตย์ และเครื่องตรวจจับรังสีที่มีความไวสูงซึ่งมีการตอบสนองต่ำ

ภาพถ่ายเชิงปริมาตร-EMF

Bulk photo-EMF ตามชื่อของมัน เกิดขึ้นจากการแยกคู่ของพาหะประจุออกจากกันในกลุ่มตัวอย่างที่ความไม่สม่ำเสมอซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารเจือปนหรือการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมี (ถ้า สารกึ่งตัวนำเป็นสารประกอบ)

ในที่นี้เรียกว่าเหตุแห่งการแยกคู่ สนามไฟฟ้าสวนทางที่สร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของระดับ Fermi ซึ่งจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน หรือถ้าเรากำลังพูดถึงเซมิคอนดักเตอร์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีที่ซับซ้อน การแยกคู่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงความกว้างของแถบ

ปรากฏการณ์ของการปรากฏตัวของโฟโตอิเล็กทริกจำนวนมากนั้นใช้ได้กับการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์เพื่อกำหนดระดับความเป็นเนื้อเดียวกัน ความต้านทานของตัวอย่างยังเกี่ยวข้องกับความไม่สม่ำเสมอ

โฟโต้ไฟฟ้าแรงสูง-EMF

photo-EMF ที่ผิดปกติ (ไฟฟ้าแรงสูง) เกิดขึ้นเมื่อการส่องสว่างที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่พุ่งตรงไปตามพื้นผิวของตัวอย่าง ขนาดของ EMF ที่ได้จะเป็นสัดส่วนกับความยาวของบริเวณที่ส่องสว่าง และอาจสูงถึง 1,000 โวลต์หรือมากกว่า

กลไกนี้สามารถเกิดจาก Dember effect ถ้ากระแสกระจายมีส่วนประกอบที่ควบคุมพื้นผิว หรือโดยการก่อตัวของโครงสร้าง p-n-p-n-p ที่ยื่นออกมาที่พื้นผิว EMF แรงดันสูงที่ได้คือ EMF ทั้งหมดของแต่ละคู่ของทางแยก n-p และ p-n แบบอสมมาตร

เอฟเฟกต์โฟโตเอพิโซอิเล็กทริก

โฟโตอิพิโซอิเล็กทริกเอฟเฟกต์คือปรากฏการณ์ของการปรากฏตัวของโฟโตเคอร์เรนต์หรือโฟโตเอมเอฟระหว่างการเสียรูปของตัวอย่าง หนึ่งในกลไกของมันคือการปรากฏตัวของ EMF จำนวนมากระหว่างการเสียรูปที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเซมิคอนดักเตอร์

อีกกลไกหนึ่งสำหรับการปรากฏตัวของ photoepisoelectric EMF คือ Dember EMF ตามขวาง ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การเสียรูปแกนเดียว ซึ่งทำให้เกิดแอนไอโซโทรปีของค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของตัวพาประจุ

กลไกอย่างหลังนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการเปลี่ยนรูปเซมิคอนดักเตอร์หลายหุบเขา ซึ่งนำไปสู่การกระจายตัวพาระหว่างหุบเขา

เราได้ดูเอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมดของประเภทแรกแล้ว จากนั้นเราจะดูเอฟเฟกต์ที่เกิดจากประเภทที่สอง

ผลของการดึงดูดอิเล็กตรอนโดยโฟตอน

ผลกระทบนี้เกี่ยวข้องกับความไม่สมมาตรในการกระจายโฟโตอิเล็กตรอนเหนือโมเมนตัมที่ได้จากโฟตอน ในโครงสร้างสองมิติที่มีการเปลี่ยนผ่านมินิแบนด์แบบออปติคอล กระแสแสงแบบเลื่อนส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนด้วยทิศทางโมเมนตัมที่แน่นอน และอาจเกินกระแสที่สอดคล้องกันอย่างมากในผลึกจำนวนมาก

เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์เชิงเส้น

ผลกระทบนี้เกิดจากการแจกแจงแบบไม่สมมาตรของโฟโตอิเล็กตรอนในตัวอย่าง ที่นี่ ความไม่สมดุลเกิดขึ้นจากสองกลไก กลไกแรกคือ ballistic ซึ่งเกี่ยวข้องกับทิศทางของพัลส์ระหว่างการเปลี่ยนผ่านควอนตัม และกลไกที่สองคือแรงเฉือน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของจุดศูนย์ถ่วงของ wavepacket ของอิเล็กตรอนในระหว่าง การเปลี่ยนผ่านควอนตัม

ผลกระทบของโฟโตโวตาอิกเชิงเส้นไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโฟตอนไปยังอิเล็กตรอน ดังนั้น โพลาไรเซชันเชิงเส้นคงที่จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อทิศทางการแพร่กระจายของแสงกลับด้าน กระบวนการดูดกลืนแสง การกระเจิง และการรวมตัวกันใหม่มีส่วนทำให้เกิด ปัจจุบัน (ผลงานเหล่านี้ได้รับการชดเชยที่สมดุลทางความร้อน)

เอฟเฟกต์นี้ใช้กับไดอิเล็กตริกทำให้สามารถใช้กลไกของหน่วยความจำออปติคัลได้เนื่องจากจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสงซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงและยังคงดำเนินต่อไปแม้ว่าจะปิดอยู่ก็ตาม

เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์แบบวงกลม

ผลกระทบเกิดขึ้นเมื่อส่องสว่างด้วยแสงโพลาไรซ์แบบวงรีหรือแบบวงกลมจากผลึกไจโรโทรปิก EMF กลับเครื่องหมายเมื่อโพลาไรซ์เปลี่ยนแปลง สาเหตุของผลกระทบอยู่ที่ความสัมพันธ์ระหว่างสปินและโมเมนตัมของอิเล็กตรอน ซึ่งมีอยู่ในผลึกไจโรโทรปิก เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นด้วยแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม สปินของพวกมันจะถูกปรับทิศทางตามแสง และตามด้วยพัลส์กระแสตามทิศทางจะเกิดขึ้น

?

การปรากฏตัวของผลตรงกันข้ามจะแสดงในลักษณะของกิจกรรมทางแสงภายใต้การกระทำของกระแส: กระแสที่ส่งทำให้เกิดการวางแนวของสปินในผลึกไจโรโทรปิก

เอฟเฟกต์สามรายการสุดท้ายใช้ในเครื่องรับแรงเฉื่อย รังสีเลเซอร์.

เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์พื้นผิว

ผลกระทบของแผงโซลาร์เซลล์บนพื้นผิวเกิดขึ้นเมื่อแสงถูกสะท้อนหรือดูดกลืนโดยตัวพาประจุอิสระในโลหะและสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโฟตอนไปยังอิเล็กตรอนระหว่างการตกกระทบของแสงแบบเฉียงและระหว่างการตกกระทบปกติหากค่าปกติต่อพื้นผิวของผลึกแตกต่างกัน ทิศทางจากหนึ่งในแกนคริสตัลหลัก

ผลกระทบประกอบด้วยปรากฏการณ์การกระเจิงของตัวพาประจุที่กระตุ้นด้วยแสงบนพื้นผิวของตัวอย่าง ในกรณีของการดูดกลืนระหว่างสาย จะเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่ว่าส่วนสำคัญของพาหะที่กระตุ้นจะมาถึงพื้นผิวโดยไม่มีการกระเจิง

ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกสะท้อนจากพื้นผิว กระแสบอลลิสติกจะก่อตัวขึ้นในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว ถ้าอิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเองด้วยความเฉื่อย เมื่อมีการกระตุ้น กระแสที่ไหลไปตามพื้นผิวอาจปรากฏขึ้น

เงื่อนไขสำหรับการเกิดขึ้นของผลกระทบนี้คือความแตกต่างในเครื่องหมายของส่วนประกอบที่ไม่เป็นศูนย์ของค่าเฉลี่ยของโมเมนตัม "ไปทางพื้นผิว" และ "จากพื้นผิว" สำหรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปตามพื้นผิว เงื่อนไขเป็นจริง ตัวอย่างเช่น ในผลึกลูกบาศก์เมื่อมีการกระตุ้นตัวพาประจุจากแถบเวเลนซ์ที่เสื่อมลงไปยังแถบการนำไฟฟ้า

ในการกระเจิงแบบกระจายตามพื้นผิว อิเล็กตรอนที่ไปถึงมันจะสูญเสียส่วนประกอบของโมเมนตัมตามพื้นผิว ในขณะที่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ออกจากพื้นผิวจะรักษาโมเมนตัมไว้ สิ่งนี้นำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสบนพื้นผิว