Аномальный фотоэлектрический эффект - Anomalous photovoltaic effect

В аномальный фотоэлектрический эффект (Обезьяна), также называемый объемный фотоэлектрический эффект в некоторых случаях является разновидностью фотоэлектрический эффект что происходит в некоторых полупроводники и изоляторы. «Аномальное» относится к тем случаям, когда фотоэдс (т.е. напряжение холостого хода, вызванное светом) больше, чем запрещенная зона соответствующих полупроводник. 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. Тогда зерна добавить в серию, так что общее напряжение холостого хода на образце велико, потенциально намного больше, чем ширина запрещенной зоны.

Во-вторых, подобным же образом некоторые сегнетоэлектрик материалы могут образовывать полосы, состоящие из параллельных сегнетоэлектрических доменов, где каждый домен действует как фотоэлектрический, а каждая доменная стенка действует как контакт, соединяющий соседние фотогальваника (или наоборот). Опять же, домены добавляются последовательно, так что общее напряжение холостого хода велико.[1]

В-третьих, идеальный монокристалл с нецентросимметричная структура может развить гигантское фотоэдс. Это называется объемным фотоэлектрическим эффектом и возникает из-за нецентросимметрии. В частности, электронные процессы - фотовозбуждение, рассеяние и релаксация - происходят с различной вероятностью движения электрона в одном направлении по сравнению с противоположным.[2]

Серия-сумма зерен в поликристалле

История

Этот эффект был обнаружен Старкевич и другие. в 1946 году на фильмах PbS[3] и позже наблюдался на других полупроводниковых поликристаллический фильмы в том числе CdTe,[4] Кремний,[5] Германий,[5] ZnTe[6] и InP,[7] а также на аморфный кремний фильмы [8][9] И в нанокристаллический кремниевые системы.[10] 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, осажденные в вакууме. испарение на теплоизоляционный субстрат, удерживаемая под углом к ​​направлению падающего пара. Однако было обнаружено, что фотоэдс очень чувствительно к условиям и процедуре, в которых были приготовлены образцы.[11] Это затрудняло получение воспроизводимых результатов, что, вероятно, является причиной того, что до сих пор не была принята удовлетворительная модель для этого. Однако для объяснения этого необычного явления было предложено несколько моделей, которые кратко описаны ниже.[12]

Наклонное осаждение может привести к нескольким структурам асимметрии в фильмах. Среди первых попыток объяснить APE было несколько, которые рассматривали пленку как единое целое, например, рассматривали изменение толщины образца по его длине.[13] или неравномерное распределение электронных ловушек.[14] Тем не менее, 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.

Эффект Дембера

Основная статья: Эффект Дембера

Когда фотогенерированные электроны и дырки имеют разные подвижность, может возникнуть разность потенциалов между освещенной и неосвещенной гранями полупроводниковой пластины.[15] 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. Передача перевозчики Предполагается, что на поверхности кристаллитов препятствует наличие некоторого неопределенного слоя с различными свойствами, таким образом предотвращается отмена последовательных напряжений Дембера. Чтобы объяснить полярность ФВ, не зависящую от направления освещения, необходимо предположить, что существует большая разница в рекомбинация скорости на противоположных гранях кристаллита, что является слабым местом этой модели.

Модель перехода структуры

Эта модель предполагает, что когда материал кристаллизуется оба в кубический и шестиугольник структур асимметричный барьер может быть образован остаточным диполь слой на границе 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.

Модель p-n перехода

Основная статья: p-n переход

Это было предложено Старкевичем [3] что аномальная PV развивается из-за градиента распределения положительных и отрицательных примесные ионы через микрокристаллиты с такой ориентацией, чтобы получить ненулевое полное фото-напряжение. Это эквивалентно массиву p-n переходы. Однако механизм образования таких p-n-переходов не объяснен.

Модель поверхностного фотоэдс

Основная статья: поверхностное фотоэдс

Граница раздела между кристаллитами может содержать ловушки для носителей заряда. Это может привести к поверхностный заряд и наоборот космический заряд область в кристаллитах,[12] в случае, если кристаллиты достаточно мелкие. При освещении наклонных кристаллитов электронно-дырочный 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.

Объемный фотоэлектрический эффект в нецентросимметричном монокристалле

Идеальный монокристалл с нецентросимметричная структура может развить гигантское фотоэдс. Это специально называется объемный фотоэлектрический эффект, и происходит из-за нецентросимметрии.[2][16] 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.[2] Это наблюдалось в ниобат лития (LiNbO3),[17] титанат бария (BaTiO3)[18] и многие другие материалы.[2]

Теоретические расчеты с использованием теория функционала плотности или другие методы могут предсказать степень, в которой материал будет проявлять объемный фотоэлектрический эффект.[19][20]

Простой пример

Пример простой системы, которая демонстрирует объемный фотоэлектрический эффект. См. Описание в тексте.

Справа показан пример простой системы, которая демонстрирует 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 B к C, испуская много фононов, или может перейти от C к B, поглощая много фононов.

Когда светит свет, электрон иногда будет двигаться 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 возбуждаются фотонами, но вместо этого требуется невероятно большая тепловая флуктуация. Следовательно, возникает чистый правый фототок.

Поскольку электроны претерпевают «сдвиг» каждый раз, когда они поглощают фотон (в среднем), этот фототок иногда называют «током сдвига».[19]

Отличительные черты

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 противоположное направление что вы ожидаете от уравнение 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 квазиуровня Ферми, а дырки движутся в направлении увеличения дырочного квазиуровня Ферми, что согласуется с уравнение дрейфа-диффузии. Возможно производство электроэнергии только потому что квазиферми-уровни 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), будут следовать за дрейфом. уравнение диффузии, что означает, что эти электроны будут вычесть от фототока и уменьшите фотоэлектрический эффект.

Каждый раз, когда один электрон поглощает один фотон (в области генерирования энергии на ВАХ), результирующее смещение электронов в среднем составляет в большинстве одна или две элементарные ячейки или длина свободного пробега (это смещение иногда называют «расстоянием анизотропии»).[18][20] 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 в случае объемного фотоэлектрического эффекта желаемое чистое движение электронов равно напротив направление, предсказываемое уравнением дрейфа-диффузии.

Например, может случиться так, что когда электрон поглощает фотон, непропорционально высока 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 повторится. В этой ситуации возможен ток левых электронов. несмотря на электрическое поле, толкающее электроны в противоположном направлении. Однако, если фотон возбуждает электрон, он не быстро расслабиться обратно в неподвижное состояние, но вместо этого продолжает двигаться вокруг кристалла и рассеиваться случайным образом, тогда электрон в конечном итоге «забудет», что он двигался влево, и в итоге он будет притянут вправо электрическим полем. Опять же, полное движение электрона влево на один поглощенный фотон не может быть намного больше, чем длина свободного пробега.

Как следствие, 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 на столько же, сколько растет напряжение.

В некоторых случаях ток имеет разные знаки в зависимости от поляризации света.[18] Этого не произошло бы в обычном солнечном элементе, таком как кремний.

Приложения

Считается, что объемный фотоэлектрический эффект играет роль в фоторефрактивный эффект в ниобат лития.[17]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ С.Ю. Ян; Дж. Зайдель; С.Дж. Бирнс; П. Шафер; C.-H. Ян; M.D. Росселл; и другие. (2010). «Запрещенные напряжения от сегнетоэлектрических фотоэлектрических устройств» (PDF). Природа Нанотехнологии. 5 (2): 143–7. Bibcode:2010НатНа ... 5..143л. Дои:10.1038 / nnano.2009.451. PMID  20062051.
  2. ^ а б c d В.М. Фридкин (2001). «Объемный фотовольтаический эффект в нецентросимметричных кристаллах». Кристаллографические отчеты. 46 (4): 654–658. Bibcode:2001CryRp..46..654F. Дои:10.1134/1.1387133.
  3. ^ а б Старкевич Ю., Сосновский Л., Симпсон О. (1946). "Фотоэлектрические эффекты, проявляемые в полупроводниковых пленках с высоким сопротивлением". Природа. 158: 28–28. Дои:10.1038 / 158028a0.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  4. ^ Goldstein, B .; Пенсак, Л. (1959). «Фотовольтаический эффект высокого напряжения». Журнал прикладной физики. 30 (2): 155–161. Bibcode:1959JAP .... 30..155G. Дои:10.1063/1.1735125.
  5. ^ а б Х. Каллманн, Б. Крамер, Э. Хайденманакис, В. Дж. МакАлир, Х. Баркемейер и П. И. Поллак, J. Electrochem. Soc. 108, 247 (1961).
  6. ^ Pal, U .; Saha, S .; Чаудхури, А. К .; Банерджи, Х. (1991). «Аномальный фотоэлектрический эффект в пленках поликристаллического теллурида цинка». Журнал прикладной физики. 69 (9): 6547–6555. Bibcode:1991JAP .... 69.6547P. Дои:10.1063/1.348865.
  7. ^ Успенский М.Д., Иванова Н.Г., Малкис И.Е. // Сов. Phys.- Semicond. 1, 1059 (1968).
  8. ^ Адирович Э.И., Гольдштейн Л.М. // Сов. Phys. Докл. 9, 795 (1965).
  9. ^ Рейтер Герберт, Шмитт Хайнц (1995). «Аномальный фотоэлектрический эффект и отрицательная фотопроводимость в тонких аморфных пленках GaAs-Si». Журнал прикладной физики. 77: 3209–3218. Дои:10.1063/1.358674.
  10. ^ Леви Ахарони, Хадар; Азулай, Дорон; Милло, Одед; Бальберг, Исаак (2008). «Аномальный фотоэлектрический эффект в нанокристаллическом Si / SiO.2 композиты ». Письма по прикладной физике. 92 (11): 112109. Bibcode:2008АпФЛ..92к2109Л. Дои:10.1063/1.2897294. ISSN  0003-6951.
  11. ^ Панков Ю. И. Оптические процессы в полупроводниках (Dover Publications, Нью-Йорк, 1975).
  12. ^ а б Джонсон Х. Р. (1975). «Аномальный фотоэлектрический эффект в теллуриде кадмия». Журнал физики D: Прикладная физика. 8: 1530–1541. Дои:10.1088/0022-3727/8/13/015.
  13. ^ Любин В.М., Федорова Г.А. // Сов. Phys. Докл. 135, 1343 (1960).
  14. ^ G. Brincourt, S. Martinuzzi, C.R. Acad. Sci. Париж, 266, 1283 (1968).
  15. ^ С. М. Рывкин, Фотоэлектрические эффекты в полупроводниках, стр. 296, (Бюро консультантов, Нью-Йорк, 1964).
  16. ^ В.И. Белинчер; Б.И. Штурман (1980). «Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии» (PDF). Сов. Phys. УСП. 23 (3): 199. Bibcode:1980СвФУ..23..199Б. Дои:10.1070 / PU1980v023n03ABEH004703.
  17. ^ а б А. М. Гласс; Д. фон дер Линде; Т. Дж. Негран (1974). «Высоковольтный объемный фотоэлектрический эффект и фоторефрактивный процесс в LiNbO3». Письма по прикладной физике. 25 (4): 233. Bibcode:1974АпФЛ..25..233Г. Дои:10.1063/1.1655453.
  18. ^ а б c W.T.H. Кох; Р. Мюнзер; В. Руппель; П. Вюрфель (октябрь 1975 г.). «Объемный фотовольтаический эффект в BaTiO3». Твердотельные коммуникации. 17 (7): 847–850. Bibcode:1975SSCom..17..847K. Дои:10.1016/0038-1098(75)90735-8.
  19. ^ а б С. М. Янг и А. М. Рапп (2012). «Первые принципы расчета фотоэлектрического эффекта сдвига тока в сегнетоэлектриках» (PDF). Письма с физическими проверками. 109 (11): 116601. arXiv:1202.3168. Bibcode:2012PhRvL.109k6601Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.116601. PMID  23005660.
  20. ^ а б Ральф фон Бальц и Вольфганг Краут (1981). «Теория объемного фотоэлектрического эффекта в чистых кристаллах». Физический обзор B. 23 (10): 5590–5596. Bibcode:1981ПхРвБ..23.5590В. Дои:10.1103 / PhysRevB.23.5590.