Фотовольтаический эффект - это явление, при котором свет преобразуется в электричество в определенных материалах.
Впервые так называемый фотовольтаический (или фотогальванический) эффект наблюдал в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель.
Экспериментируя в отцовской лаборатории, он обнаружил, что при освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, подключенный к пластинам гальванометр показывал наличие электродвижущей силы. Вскоре девятнадцатилетний Эдмон нашел и полезное применение своему открытию, — он создал актинограф — прибор для регистрации интенсивности падающего света.
Сегодня к фотовольтаическим эффектам относят целую группу явлений, так или иначе связанных с возникновения электрического тока в замкнутой цепи, в которую включен освещаемый полупроводниковый или диэлектрический образец, либо явления возникновения ЭДС на освещаемом образце, в случае если внешняя цепь разомкнута. При этом различают два типа фотовольтаических эффектов.
К фотовольтаическим эффектам первого типа относятся: высоковольтная фото-ЭДС, объемная фото-ЭДС, вентильная фото-ЭДС, а также фотопьезоэлектрический эффект и эффект Дембера.
К фотовольтаическим эффектам второго типа относятся: эффект увлечения электронов фотонами, а также поверхностный, циркулярный и линейный фотовольтаические эффекты.
Эффекты первого и второго типа
Фотовольтаические эффекты первого типа обусловлены процессом, при котором световое воздействие генерирует подвижные носители электрического заряда двух знаков — электроны и дырки, приводит к их разделению в пространстве образца.
Возможность разделения связана в этом случае либо с неоднородностью образца (неоднородностью образца можно считать его поверхность), либо с неоднородностью освещения, когда свет поглощается у поверхности, либо когда освещается лишь часть поверхности образца, так что ЭДС возникает вследствие повышения скоростей теплового движения электронов под действием падающего на них света.
Фотовольтаические эффекты второго типа связаны с асимметрией элементарных процессов возбуждения носителей заряда светом, асимметрией их рассеяния и рекомбинации.
Эффекты данного типа проявляются без дополнительного образования пар разноименных носителей заряда, они обусловлены межзонными переходами, либо могут быть связаны с возбуждением носителей заряда с примесей, кроме того могут вызываться поглощением световой энергии свободными носителями заряда.
Далее давайте разберем механизмы возникновения фотовольтаических эффектов. Сначала рассмотрим фотовольтаические эффекты первого типа, затем обратим внимание на эффекты второго типа.
Эффект Дембера
Эффект Дембера может возникать при однородном освещении образца, просто из-за различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных его гранях. При неоднородном освещении образца эффект Дембера вызывается различием коэффициентов диффузии (разницы подвижностей) электронов и дырок.
Эффект Дембера, инициируемый импульсным освещением, применяют для генерации излучения в терагерцовом диапазоне. Наиболее выражено эффект Дембера проявляется в полупроводниках с высокой подвижностью электронов и с узкой запрещенной, таких, как InSb и InAs.
Барьерная фото-ЭДС
Вентильная или барьерная фото-ЭДС является результатом разделения электронов и дырок электрическим полем на барьере Шоттки при контакте металл-полупроводник, а также полем p-n-перехода или гетероперехода.
Ток здесь образуется движением как непосредственно генерируемых в области p-n-перехода носителями заряда, так и теми носителями, что возбуждаются в приэлектродных областях и достигают путем диффузии области сильного поля.
Разделение пар способствует образованию потока дырок в область p и потока электронов в область n. Если цепь разомкнута, то ЭДС действует в прямом для p-n-перехода направлении, так что ее действие компенсирует первоначальное явление.
Данный эффект лежит в основе функционирования солнечных элементов и высокочувствительных малоинерционных приемников излучения.
Объемная фото-ЭДС
Объемная фото-ЭДС, как следует из ее названия, возникает как результат разделения пар носителей заряда в объеме образца на неоднородностях, связанных с изменением концентрации легирующей примеси либо с изменением химического состава (в случае если полупроводник сложный).
Здесь причиной разделения пар служит так называемое встречное электрическое поле, создаваемое изменением положения уровня Ферми, который, в свою очередь, зависит от концентрации примеси. Либо, если речь о полупроводнике со сложным химическим составом — разделение пар оказывается результатом изменения ширины запрещенной зоны.
Явление возникновения объемной фото-ЭДС применимо для зондирования полупроводников с целью определения степени их однородности. С неоднородностями связано также сопротивление образца.
Высоковольтная фото-ЭДС
Аномальная (высоковольтная) фото-ЭДС получается когда неоднородное освещение вызывает электрическое поле, направленное по поверхности образца, вдоль нее. Величина возникающей ЭДС будет пропорциональна длине освещаемой области и может достигать 1000 и больше вольт.
Механизм может быть обусловлен либо эффектом Дембера, если диффузный ток имеет компоненту направленную вдоль поверхности, либо образованием выходящей на поверхность p-n-p-n-p-структуры. Результирующая высоковольтная ЭДС — есть суммарная ЭДС каждой из пар несимметричных n-p и p-n-переходов.
Фотопьезоэлектрический эффект
Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление возникновение фототока или фото-ЭДС при деформации образца. Одним из его механизмов является возникновение объемной ЭДС при неоднородной деформации, приводящей к изменению параметров полупроводника.
Другим механизмом появления фотопьезоэлектрической ЭДС является поперечная ЭДС Дембера, возникающая при одноосной деформации, вызывающей анизотропию коэффициента диффузии носителей заряда.
Последний механизм наиболее эффективен при деформациях многодолинных полупроводников, приводящих к перераспределению носителей между долинами.
Мы рассмотрели все фотовольтаические эффекты первого типа, далее рассмотрим эффекты относимые ко второму типу.
Эффект увлечения электронов фотонами
Этот эффект связан с асимметрией в распределении фотоэлектронов по импульсу, получаемому от фотонов. В двумерных структурах при оптических переходах между минизонами фототок увлечения вызван преимущественно переходами электронов с определенным направлением импульса и может существенно превышать соответствующий ток в объемных кристаллах.
Линейный фотовольтаический эффект
Данный эффект обусловлен асимметричным распределением фотоэлектронов в образце. Асимметрия формируется здесь двумя механизмами, первый из которых — баллистический, связанный с направленностью импульса при квантовых переходах, второй — сдвиговый, обусловленный смещением центра тяжести волнового пакета электронов при квантовых переходах.
Линейный фотовольтаический эффект не связан с передачей импульса от фотона электронам, поэтому при фиксированной линейной поляризации не меняется при изменении направления распространения света на противоположное. Вклад в ток вносят как процессы поглощения света, так и процессы рассеяния и рекомбинации (при тепловом равновесии данные вклады скомпенсированы).
Данный эффект применительно к диэлектрикам позволяет реализовать механизм оптической памяти, поскольку приводит к изменению показателя преломления, зависящему от интенсивности света, и сохраняющемуся даже после его выключения.
Циркулярный фотовольтаический эффект
Эффект возникает при освещении эллиптически или циркулярно поляризованным светом гиротропных кристаллов. ЭДС меняет знак на противоположный при изменении поляризации. Причина эффекта кроется во взаимосвязи спина и импульса электронов, свойственной гиротропным кристаллам. Когда электроны возбуждаются циркулярно поляризованным светом, их спины оптически ориентируются, соответственно возникает направленный импульс тока.
Существование обратного эффекта выражается в возникновении оптической активности под действием тока: пропускаемый ток вызывает в гиротропных кристаллах ориентацию спинов.
Три последних эффекта служат в безынерционных приемниках лазерного излучения.
Поверхностный фотовольтаический эффект
Поверхностный фотовольтаический эффект возникает при отражении или поглощении света свободными носителями заряда в металлах и полупроводниках, вследствие передачи импульса от фотонов — электронам при наклонном падении света, а также при нормальном падении, если нормаль к поверхности кристалла отличается по направлению от одной из главных осей кристалла.
Эффект заключается в явлении рассеяния возбужденных светом носителей заряда на поверхности образца. При межзонном поглощении проявляется при условии, что значительная часть возбужденных носителей достигает поверхности без рассеяния.
Так, при отражении электронов от поверхности формируется баллистический ток, направленный перпендикулярно поверхности. Если при возбуждении электроны выстраиваются по импульсу, может появиться ток, направленный вдоль поверхности.
Условием возникновения данного эффекта является различие знаком неравных нулю компонент средних значений импульса «к поверхности» и «от поверхности» для электронов движущихся вдоль поверхности. Условие соблюдается, например, в кубических кристаллах, при возбуждении носителей заряда из вырожденной валентной зоны — в зону проводимости.
При диффузном рассеянии на поверхности, электроны достигшие ее - теряют составляющую импульса вдоль поверхности, тогда как электроны двигающиеся от поверхности - сохраняют. Это и приводит к возникновению тока вдоль поверхности.
Андрей Повный