Efeito fotovoltaico e suas variedades
Pela primeira vez, o chamado efeito fotovoltaico (ou fotovoltaico) foi observado em 1839 pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel.
Experimentando no laboratório de seu pai, descobriu que ao iluminar placas de platina imersas em solução eletrolítica, um galvanômetro conectado às placas indicava a presença de força eletromotriz… Logo Edmund, de dezenove anos, encontrou uma aplicação útil para sua descoberta - ele criou um actinógrafo - um dispositivo para registrar a intensidade da luz incidente.
Hoje, os efeitos fotovoltaicos incluem todo um grupo de fenômenos, de uma forma ou de outra, relacionados ao aparecimento de uma corrente elétrica em um circuito fechado, que inclui um semicondutor iluminado ou amostra dielétrica, ou o fenômeno EMF em uma amostra iluminada, se o circuito externo está aberto. Neste caso, distinguem-se dois tipos de efeitos fotovoltaicos.
O primeiro tipo de efeitos fotovoltaicos inclui: foto-EMF elétrica alta, foto-EMF de volume, foto-EMF de válvula, bem como o efeito fotoepizoelétrico e o efeito Dember.
Os efeitos fotovoltaicos do segundo tipo incluem: o efeito de arrastamento de elétrons por fótons, bem como efeitos fotovoltaicos superficiais, circulares e lineares.
Efeitos do primeiro e segundo tipo
Os efeitos fotovoltaicos do primeiro tipo são causados por um processo no qual um efeito de luz gera portadores de carga elétrica móveis de dois caracteres — elétrons e buracos, o que leva à sua separação no espaço da amostra.
A possibilidade de separação está relacionada, neste caso, ou à falta de homogeneidade da amostra (sua superfície pode ser considerada como a falta de homogeneidade da amostra) ou à falta de homogeneidade da iluminação quando a luz é absorvida próximo à superfície ou quando apenas parte da superfície da amostra é iluminada , então o EMF surge devido a um aumento na velocidade do movimento térmico dos elétrons sob a influência da luz que incide sobre eles.
Os efeitos fotovoltaicos do segundo tipo estão associados à assimetria dos processos elementares de excitação dos portadores de carga pela luz, à assimetria de sua dispersão e recombinação.
Efeitos desse tipo aparecem sem a formação adicional de pares de portadores de carga opostos, são causados por transições interbandas ou podem estar relacionados à excitação de portadores de carga por impurezas, além disso, podem ser causados pela absorção de energia luminosa pelo portadores de carga livre.
A seguir, vamos examinar os mecanismos dos efeitos fotovoltaicos. Em primeiro lugar, examinaremos os efeitos fotovoltaicos do primeiro tipo e, em seguida, voltaremos nossa atenção para os efeitos do segundo tipo.
Efeito mais espesso
O efeito Dember pode ocorrer sob iluminação uniforme da amostra, simplesmente por causa da diferença nas taxas de recombinação da superfície em seus lados opostos. Com iluminação desigual da amostra, o efeito Dember é causado pela diferença nos coeficientes de difusão (diferença na mobilidade) de elétrons e buracos.
O efeito Dember, iniciado por iluminação pulsada, é usado para gerar radiação na faixa de terahertz. O efeito Dember é mais pronunciado em semicondutores de alta mobilidade eletrônica e gap estreito, como InSb e InAs.[banner_adsense]
Barreira foto-EMF
O portão ou barreira foto-EMF resulta da separação de elétrons e buracos por um campo elétrico da barreira Schottky no caso de um contato metal-semicondutor, bem como o campo p-n-junção ou heterojunção.
A corrente aqui é formada pelo movimento de ambos os portadores de carga gerados diretamente na região da junção pn, e aqueles portadores que são excitados nas regiões próximas ao eletrodo e atingem a região do campo forte por difusão.
A separação de pares promove a formação de fluxo de lacunas na região p e fluxo de elétrons na região n. Se o circuito estiver aberto, o EMF atua na direção direta da junção p-n, de modo que sua ação compensa o fenômeno original.
Este efeito é a base do funcionamento células solares e detectores de radiação altamente sensíveis com baixa resposta.
Foto-EMF volumétrica
Bulk foto-EMF, como o próprio nome sugere, surge como resultado da separação de pares de portadores de carga no volume da amostra em inomogeneidades associadas a uma mudança na concentração do dopante ou com uma mudança na composição química (se o semicondutor é composto).
Aqui, o motivo da separação dos pares é o chamado Um campo elétrico contrário criado por uma mudança na posição do nível de Fermi, que por sua vez depende da concentração de impurezas. Ou, se estivermos falando de um semicondutor com uma composição química complexa, a divisão dos pares resulta de uma mudança na largura de banda.
O fenômeno do aparecimento de fotoelétricos em massa é aplicável à sondagem de semicondutores para determinar o grau de sua homogeneidade. A resistência da amostra também está relacionada a não homogeneidades.
Foto-EMF de alta tensão
Foto-EMF anormal (alta tensão) ocorre quando a iluminação não uniforme causa um campo elétrico direcionado ao longo da superfície da amostra. A magnitude do EMF resultante será proporcional ao comprimento da área iluminada e pode atingir 1000 volts ou mais.
O mecanismo pode ser causado pelo efeito Dember, se a corrente difusa tiver um componente direcionado à superfície, ou pela formação de uma estrutura p-n-p-n-p projetando-se na superfície. A EMF de alta tensão resultante é a EMF total de cada par de junções n-p e p-n assimétricas.
efeito fotoepizoelétrico
O efeito fotoepizoelétrico é o fenômeno do aparecimento de uma fotocorrente ou fotoemf durante a deformação da amostra. Um de seus mecanismos é o aparecimento de EMF em massa durante a deformação não homogênea, levando a uma mudança nos parâmetros do semicondutor.
Outro mecanismo para o aparecimento da EMF fotoepisoelétrica é a EMF de Dember transversal, que ocorre sob deformação uniaxial, o que causa anisotropia do coeficiente de difusão dos portadores de carga.
O último mecanismo é mais eficaz em deformações de semicondutores multivales, levando a uma redistribuição de portadores entre vales.
Vimos todos os efeitos fotovoltaicos do primeiro tipo, depois veremos os efeitos atribuídos ao segundo tipo.
O efeito da atração de elétrons por fótons
Este efeito está relacionado com a assimetria na distribuição dos fotoelétrons sobre o momento obtido dos fótons. Em estruturas bidimensionais com transições de minibandas ópticas, a fotocorrente deslizante é causada principalmente por transições de elétrons com uma certa direção de momento e pode exceder significativamente a corrente correspondente em cristais volumosos.
Efeito fotovoltaico linear
Este efeito é devido à distribuição assimétrica de fotoelétrons na amostra. Aqui, a assimetria é formada por dois mecanismos, sendo o primeiro balístico, relacionado à direcionalidade do pulso durante as transições quânticas, e o segundo é o cisalhamento, devido ao deslocamento do centro de gravidade do pacote de ondas de elétrons durante as transições quânticas.
O efeito fotovoltaico linear não está relacionado com a transferência de momento dos fótons para os elétrons, portanto, com uma polarização linear fixa, não muda quando a direção de propagação da luz é invertida. Os processos de absorção e espalhamento e recombinação da luz contribuem para o corrente (essas contribuições são compensadas no equilíbrio térmico).
Esse efeito, aplicado aos dielétricos, possibilita a aplicação do mecanismo de memória ótica, pois leva a uma alteração no índice de refração, que depende da intensidade da luz, e continua mesmo depois de desligada.
Efeito fotovoltaico circular
O efeito ocorre quando iluminado por luz elíptica ou circularmente polarizada de cristais girotrópicos. O EMF inverte o sinal quando a polarização muda. A razão para o efeito está na relação entre o spin e o momento do elétron, que é inerente aos cristais girotrópicos. Quando os elétrons são excitados por luz polarizada circularmente, seus spins são orientados opticamente e, consequentemente, ocorre um pulso de corrente direcional.
A presença do efeito oposto se expressa no aparecimento de atividade óptica sob a ação de uma corrente: a corrente transmitida causa a orientação dos spins nos cristais girotrópicos.
Os últimos três efeitos servem em receptores inerciais. radiação laser.
Efeito fotovoltaico de superfície
O efeito fotovoltaico de superfície ocorre quando a luz é refletida ou absorvida por portadores de carga livre em metais e semicondutores devido à transferência de momento de fótons para elétrons durante a incidência oblíqua da luz e também durante a incidência normal se a normal à superfície do cristal diferir em direção de um dos eixos principais do cristal.
O efeito consiste no fenômeno de espalhamento de portadores de carga excitados por luz na superfície da amostra. No caso da absorção interbandas, ela ocorre sob a condição de que uma fração significativa dos portadores excitados alcance a superfície sem espalhamento.
Então, quando os elétrons são refletidos da superfície, uma corrente balística é formada, direcionada perpendicularmente à superfície. Se, após a excitação, os elétrons se arranjam em inércia, pode aparecer uma corrente direcionada ao longo da superfície.
A condição para a ocorrência desse efeito é a diferença no sinal dos componentes diferentes de zero dos valores médios do momento "em direção à superfície" e "da superfície" para elétrons que se movem ao longo da superfície. A condição é satisfeita, por exemplo, em cristais cúbicos, mediante excitação de portadores de carga da banda de valência degenerada para a banda de condução.
No espalhamento difuso por uma superfície, os elétrons que a atingem perdem o componente de momento ao longo da superfície, enquanto os elétrons que se afastam da superfície o retêm. Isso leva ao aparecimento de uma corrente na superfície.