Войти
Аномальный фотоэлектрический эффект (APE ), также называемый объемный фотоэлектрический эффект в некоторых случаях представляет собой тип фотоэлектрического эффекта, который возникает в определенных полупроводниках и изоляторах. «Аномальный» относится к тем случаям, когда фотоэдс (т.е. напряжение холостого хода, вызванное светом) больше, чем запрещенная зона соответствующего полупроводника. В некоторых случаях напряжение может достигать тысяч вольт.
Хотя напряжение необычно высокое, ток короткого замыкания необычно низкий. В целом, материалы, которые демонстрируют аномальный фотоэлектрический эффект, имеют очень низкую эффективность выработки электроэнергии и никогда не используются в практических системах выработки электроэнергии.
Есть несколько ситуаций, в которых могут возникнуть APE.
Во-первых, в поликристаллических материалах каждое микроскопическое зерно может действовать как фотоэлектрический элемент. Затем зерна складываются последовательно, так что общее напряжение холостого хода на образце велико, потенциально намного больше, чем ширина запрещенной зоны.
Во-вторых, аналогичным образом некоторые сегнетоэлектрические материалы могут образовывать полосы, состоящие из параллельных сегнетоэлектрических доменов, где каждый домен действует как фотоэлектрический элемент, а каждая доменная стенка действует как контакт, соединяющий соседние фотогальваника (или наоборот). Опять же, домены складываются последовательно, так что общее напряжение холостого хода велико.
В-третьих, идеальный монокристалл с нецентросимметричной структурой может развивать гигантское фотоэдс. Это называется объемным фотоэлектрическим эффектом и возникает из-за нецентросимметрии. В частности, электронные процессы - фотовозбуждение, рассеяние и релаксация - происходят с разной вероятностью движения электрона в одном направлении по сравнению с противоположным.
Этот эффект был обнаружен et al. в 1946 году на пленках PbS и позже наблюдался на других полупроводниковых поликристаллических пленках, включая CdTe, Кремний, Германий, ZnTe и InP, а также на пленках аморфного кремния и в системах нанокристаллического кремния. Было обнаружено, что наблюдаемые фотонапряжения достигают сотен, а в некоторых случаях даже тысяч вольт. Пленки, в которых наблюдался этот эффект, обычно представляли собой тонкие полупроводниковые пленки, которые были нанесены путем вакуумного испарения на нагретую изолирующую подложку, удерживаемую под углом к направлению падающего пара.. Однако было обнаружено, что фотоэдс очень чувствительно к условиям и процедуре, в которых были приготовлены образцы. Это затрудняло получение воспроизводимых результатов, что, вероятно, является причиной того, что до сих пор не была принята удовлетворительная модель для этого. Однако было предложено несколько моделей для объяснения необычного явления, и они кратко описаны ниже.
Наклонное осаждение может привести к нескольким структурным асимметриям пленок. Среди первых попыток объяснить APE было несколько, которые рассматривали пленку как единое целое, например, рассматривали изменение толщины образца по его длине или неравномерное распределение электронных ловушек. Однако исследования, которые следовали в целом, поддержали модели, которые объясняют эффект как результат действия ряда микроэлементов, аддитивно влияющих на чистую фотоэдс. Ниже приводится обзор наиболее популярных моделей, используемых для объяснения фотоэдс.
Когда фотогенерированные электроны и дырки имеют разные подвижности, может возникнуть разность потенциалов между освещенной и неосвещенной гранями полупроводниковой пластины. Обычно этот потенциал создается на глубине пластины, будь то объемный полупроводник или поликристаллическая пленка. Разница между этими случаями состоит в том, что во втором случае фотоэдс может создаваться в каждом из микрокристаллитов. Как упоминалось выше, в процессе наклонного осаждения образуются наклонные кристаллиты, в которых одна грань может поглощать свет больше, чем другая. Это может привести к возникновению фотоэдс вдоль пленки, а также по ее глубине. Предполагается, что переносу носителей на поверхность кристаллитов препятствует наличие некоторого неопределенного слоя с различными свойствами, таким образом предотвращается отмена последовательных напряжений Дембера. Чтобы объяснить полярность ФВ, которая не зависит от направления освещения, необходимо предположить, что существует большая разница в скоростях рекомбинации на противоположных гранях кристаллита, что является слабым местом этой модели.
Эта модель предполагает, что когда материал кристаллизуется как в кубической, так и в гексагональной структурах, асимметричный барьер может быть образован остаточным дипольным слоем на границе раздела между двумя структурами. Потенциальный барьер образуется из-за комбинации разницы в запрещенной зоне и электрических полей, возникающих на границе раздела. Следует помнить, что эту модель можно использовать для объяснения аномального эффекта ФВ только в тех материалах, которые могут демонстрировать два типа кристаллической структуры.
Старкевич предположил, что аномальная ФВ возникает из-за градиента распределения положительных и отрицательных значений через микрокристаллиты с такой ориентацией, чтобы давать не- нулевое общее фото-напряжение. Это эквивалентно массиву p-n переходов. Однако механизм образования таких p-n-переходов не объяснен.
Граница раздела между кристаллитами может содержать ловушки для носителей заряда. Это может привести к появлению поверхностного заряда и противоположной области пространственного заряда в кристаллитах в случае, если кристаллиты достаточно малы. При освещении наклонных кристаллитов электронно-дырочные пары образуются и вызывают компенсацию заряда на поверхности и внутри кристаллитов. Если предположить, что глубина оптического поглощения намного меньше, чем область пространственного заряда в кристаллитах, то из-за их наклонной формы с одной стороны поглощается больше света, чем с другой. Таким образом, между двумя сторонами создается разница в уменьшении заряда. Таким образом, в каждом кристаллите создается фотоэдс, параллельное поверхности.
Идеальный монокристалл с нецентросимметричной структурой может развить гигантское фотоэдс. Это, в частности, называется объемным фотоэлектрическим эффектом и возникает из-за нецентросимметрии. Электронные процессы, такие как фотовозбуждение, рассеяние и релаксация, могут происходить с разной вероятностью для электронов, движущихся в одном направлении по сравнению с противоположным.
Этот эффект был впервые обнаружен в 1960-х годах. Это наблюдалось в ниобате лития (LiNbO 3),титанат бария (BaTiO 3) и многих других материалах.
Теоретические расчеты с использованием Теория функционала плотности или другие методы могут предсказать степень, в которой материал будет проявлять объемный фотоэлектрический эффект.
Пример простой системы, которая будет демонстрировать объемный фотоэлектрический эффект. См. текст для описания. Справа показан пример простой системы, которая будет демонстрировать объемный фотоэлектрический эффект. На элементарную ячейку приходится два электронных уровня, разделенных большой энергетической щелью, скажем 3 эВ Синие стрелки указывают на радиационные переходы, то есть электрон может поглотить УФ-фотон, чтобы перейти от A к B, или он может испустить УФ-фотон, чтобы перейти от B к A. Фиолетовые стрелки указывают безызлучательные переходы, то есть электрон может перейти из От B к C, испуская много фононов, или может перейти от C к B, поглощая много фононов.
Когда светит свет, электрон время от времени будет Мы движемся вправо, поглощая фотон и переходя от A к B к C. Однако он почти никогда не будет двигаться в обратном направлении, от C к B к A, потому что переход от C к B не может быть возбужден фотонами, а вместо этого требует невероятно большое тепловое колебание. Следовательно, возникает чистый правый фототок.
Поскольку электроны претерпевают «сдвиг» каждый раз, когда они поглощают фотон (в среднем), этот фототок иногда называют «током сдвига».
Есть несколько аспектов объемного фотоэлектрического эффекта, которые отличают его от других видов эффектов: в области выработки энергии на ВАХ (между разомкнутой цепью и коротким замыканием) электроны движутся в направлении, противоположном ожидаемому. из уравнения дрейфа-диффузии, т.е. электроны движутся к более высокому уровню Ферми или дырки перемещаются к более низкому уровню Ферми. Это необычно: например, в обычном кремниевом солнечном элементе электроны движутся в направлении уменьшения электронного квазиферми уровня, а дырки движутся в направлении увеличения дырочного квазиферми уровня, что соответствует уравнение дрейфа-диффузии. Производство энергии возможно только потому, что квазиуровни ферми расщеплены. Напротив, объемная фотоэлектрическая система может генерировать энергию без какого-либо расщепления квазиуровней Ферми.
Это также объясняет, почему большие напряжения холостого хода, как правило, наблюдаются только в кристаллах, которые (в темноте) имеют очень низкую проводимость: любые электроны, которые могут свободно перемещаться через кристалл (т. Е. Не требующие движения фотонов) будет следовать уравнению дрейфа-диффузии, что означает, что эти электроны вычитаются из фототока и уменьшают фотогальванический эффект.
Каждый раз, когда один электрон поглощает один фотон (в области генерирования энергии на ВАХ), результирующее смещение электрона составляет, в среднем, не более одной или двух элементарных ячеек или длины свободного пробега (это смещение иногда называют «расстоянием анизотропии»). Это необходимо, потому что, если электрон переходит в подвижное, делокализованное состояние, а затем несколько раз рассеивается, его направление становится случайным, и он, естественно, начинает следовать уравнению дрейфа-диффузии. Однако при объемном фотоэлектрическом эффекте желаемое суммарное движение электронов противоположно направлению, предсказанному уравнением дрейфа-диффузии.
Например, может случиться так, что когда электрон поглощает фотон, непропорционально велика вероятность того, что он окажется в состоянии, когда он движется влево. И, возможно, каждый раз, когда фотон возбуждает электрон, электрон немного перемещается влево, а затем немедленно расслабляется («застревает») в неподвижном состоянии - до тех пор, пока он не поглотит другой фотон, и цикл будет повторяться. В этой ситуации ток электронов влево возможен, несмотря на то, что электрическое поле толкает электроны в противоположном направлении. Однако, если фотон возбуждает электрон, он не релаксирует быстро обратно в неподвижное состояние, а вместо этого продолжает перемещаться вокруг кристалла и беспорядочно рассеиваться, тогда электрон в конечном итоге «забудет», что он двигался влево, и он будет вращаться. вверх, притягиваемый вправо электрическим полем. Опять же, полное движение электрона влево на один поглощенный фотон не может быть намного больше, чем длина свободного пробега.
Следствием этого является то, что квантовая эффективность толстого устройства чрезвычайно мала. Чтобы перенести один электрон от одного электрода к другому, могут потребоваться миллионы фотонов. По мере увеличения толщины ток уменьшается настолько, насколько возрастает напряжение.
В некоторых случаях ток имеет разные знаки в зависимости от поляризации света. Этого не произошло бы в обычном солнечном элементе, таком как кремний.
Считается, что объемный фотоэлектрический эффект играет роль в фоторефрактивном эффекте в ниобате лития.
