변칙적인 태양광 발전 효과
Anomalous photovoltaic effect특정 경우 벌크 태양광 효과라고도 불리는 변칙적인 태양광 효과(APE)는 특정 반도체와 절연체에서 발생하는 태양광 효과의 일종이다."열정"이란 광전압(즉, 빛에 의한 개방회로 전압)이 해당 반도체의 대역격차보다 큰 경우를 말한다.경우에 따라서는 전압이 수천 볼트에 이를 수도 있다.
전압은 유별나게 높지만 단락 전류는 유별나게 낮다.전체적으로 변칙적인 태양광 발전 효과를 나타내는 재료는 발전 효율이 매우 낮으며, 실제 발전 시스템에서는 결코 사용되지 않는다.
APE가 발생할 수 있는 상황은 몇 가지다.
첫째, 다결정질 재료에서, 각각의 미세한 곡물은 광전지의 역할을 할 수 있다.그런 다음 곡물이 직렬로 추가되므로 표본 전체의 전체 개방 회로 전압이 클 수 있으며 잠재적으로 밴드갭보다 훨씬 클 수 있다.
둘째, 유사한 방식으로 특정 강전소재는 평행 강전 영역으로 구성된 줄무늬를 개발할 수 있는데, 여기서 각 영역은 광전기와 같은 역할을 하고 각 영역 벽은 인접한 광전기를 연결하는 접촉(또는 그 반대)과 같은 역할을 한다.다시, 도메인이 직렬로 추가되므로 전체 개방 회로 전압이 크다.[1]
셋째, 비대칭 구조를 가진 완벽한 단일 결정체가 거대한 광전압을 개발할 수 있다.이를 구체적으로 대량 태양광 효과라고 하며, 비대칭 때문에 발생한다.구체적으로, 전자 과정(사진-흥분, 산란, 이완)은 한 방향과 반대 방향의 전자 움직임에 대한 다른 확률을 가지고 발생한다.[2]
다결정 낟알의 직렬 합
역사
이러한 효과는 1946년 스타키에비치 외 연구진에 의해 PbS 필름에서[3] 발견되었으며 이후 CdTe,[4] 실리콘,[5] 게르마늄,[5] ZnTe[6], InP를 포함한 다른 반도체 다결정질 필름뿐만 아니라 비정형 실리콘 필름과 나노크리스탈린 실리콘 시스템에서 관찰되었다.[7][10]관측된 태양광 발전량은 수백 볼트에 달하며, 경우에 따라서는 수천 볼트에 달하기도 했다.이러한 효과가 관찰된 필름은 일반적으로 진공 증발로 가열된 절연 기질에 침전된 얇은 반도체 필름으로, 입사 증기의 방향에 대해 각도로 고정되었다.그러나 광전압은 샘플이 준비되는 조건과 절차에 매우 민감한 것으로 밝혀졌다.[11]이것은 재현 가능한 결과를 얻는 것을 어렵게 만들었고, 이것이 아마도 그것에 대한 만족스러운 모델이 지금까지 받아들여지지 않은 이유일 것이다.그러나 몇 가지 모델이 이 특이한 현상을 설명하기 위해 제안되었으며, 아래에 간략하게 설명되어 있다.[12]
비스듬한 퇴적물은 영화 속의 몇 가지 구조 비대칭으로 이어질 수 있다.APE를 설명하기 위한 첫 번째 시도 중에는 길이별[13] 표본 두께의 변화나 전자 트랩의 균일하지 않은 분포를 고려하는 등 필름을 단일 개체로 취급한 사례가 거의 없었다.[14]그러나 후속 연구에서는 일련의 미세 원소가 순 광전압에 추가적으로 기여함에 따른 영향을 설명하는 모델을 일반적으로 지원했다.광전압을 설명하는 데 더 인기 있는 모델을 아래에서 검토한다.
포토-뎀버 효과
광생성 전자와 홀의 모빌리티가 다를 경우 반도체 슬래브의 조명과 비조명 표면 사이에 전위차가 발생할 수 있다.[15]일반적으로 이 전위는 대량 반도체든 다결정 필름이든 슬래브의 깊이를 통해 생성된다.이러한 경우의 차이점은 후자의 경우 마이크로크리스탈라이트 각각에 광전압이 생성될 수 있다는 것이다.위에서 언급했듯이 사선 침적 과정에서 한 얼굴이 다른 얼굴보다 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 경사 결정체가 형성된다.이로 인해 필름의 깊이를 통해 광전압이 생성될 수 있다.결정체 표면에서 캐리어의 전달은 특성이 다른 일부 불특정 계층의 존재에 의해 방해되는 것으로 간주되어 연속적인 뎀버 전압의 취소가 방지되고 있다.조명 방향과 독립적인 PV의 극성을 설명하려면 결정체의 반대 면에 재결합률에 큰 차이가 있다고 가정해야 하는데, 이것이 이 모델의 약점이다.
구조물 전이 모델
이 모델은 어떤 물질이 입방 구조와 육각 구조로 결정되는 경우, 두 구조물 사이의 인터페이스에서 잔류 쌍극단 층에 의해 비대칭 장벽이 형성될 수 있음을 시사한다.대역 격차 및 인터페이스에서 생성된 전기장의 조합으로 인해 잠재적 장벽이 형성된다.이 모델은 두 가지 유형의 결정 구조를 입증할 수 있는 재료에서만 변칙적인 PV 효과를 설명하기 위해 호출될 수 있다는 점을 기억해야 한다.
p-n 접합 모델
스타키에비치(Starkiewicz)는 0이 아닌 총 광전압을 부여하는 등의 방향으로 마이크로크리스탈라이트를 통한 양의 불순물 이온과 음의 불순물 이온의 분포 경사로 인해 변칙적인 PV가 개발된다고 제안했다.이것은 일련의 p-n 접합부와 같다.그러나 그러한 p-n 접합부가 형성될 수 있는 메커니즘은 설명되지 않았다.
표면 광전압 모델
결정체 사이의 인터페이스는 충전 캐리어를 위한 트랩을 포함할 수 있다.이것은 결정체가 충분히 작을 경우 표면 전하와 결정체의 반대 우주 전하 영역으로 이어질 수 있다.[12]기울어진 결정체 전자 구멍 쌍은 조명 아래에서 생성되며 표면과 결정체 내에서 전하를 보상한다.광학 흡수 깊이가 결정체의 공간 전하 영역보다 훨씬 적다고 가정할 경우, 기울어진 모양 때문에 다른 쪽보다 한 쪽에 더 많은 빛이 흡수된다.이에 따라 요금감면의 차이는 양측 간에 생긴다.이렇게 해서 표면과 평행한 광전압이 각 결정체에서 개발된다.
비대칭 단결정에서의 대량 태양광발전 효과
비대칭 구조를 가진 완벽한 단일 결정체는 거대한 광전압을 개발할 수 있다.이를 구체적으로 대량 태양광 효과라고 하며, 비대칭 때문에 발생한다.[2][16]광-흥분, 산란, 이완과 같은 전자 과정은 전자가 한 방향과 반대 방향으로 이동할 때 다른 확률로 발생할 수 있다.
이 효과는 1960년대에 처음 발견되었다.[2]그것은 리튬 니오베이트([17]LiNbO3), 바륨 타이탄산염(BaTiO3)[18]과 다른 많은 물질에서 관찰되었다.[2]
밀도 기능 이론이나 다른 방법을 사용한 이론적 계산은 물질이 대량 태양광 발전 효과를 나타내는 정도를 예측할 수 있다.[19][20]
간단한 예
오른쪽에 보이는 것은 대량 태양광 발전 효과를 나타내는 간단한 시스템의 예다.큰 에너지 갭으로 분리된 단위 셀당 전자 레벨은 3 eV라고 한다.파란색 화살표는 복사 전자가 UV 광자를 흡수하여 A에서 B로 갈 수도 있고, UV 광자를 방출하여 B에서 A로 갈 수도 있다.보라색 화살표는 비방사성 전환을 나타낸다. 즉, 전자는 많은 음소를 방출하여 B에서 C로 갈 수도 있고, 많은 음소를 흡수하여 C에서 B로 갈 수도 있다.
빛이 빛날 때, 전자는 때때로 광자를 흡수하여 A에서 B로, C로 이동함으로써 오른쪽으로 움직일 것이다.그러나 C에서 B로 이행하는 것은 광자에 의해 흥분할 수 없고, 그 대신 가능성이 있을 정도로 큰 열변동을 요구하기 때문에 C에서 B로 이행하는 것은 거의 역방향으로 움직이지 않을 것이다.따라서 순우측광호화폐가 있다.
전자가 광자를 흡수할 때마다(평균적으로) "이동"을 겪기 때문에, 이 광암호화폐를 "이동 전류"[19]라고 부르기도 한다.
구분 피쳐
대량 태양광 발전 효과에는 다른 종류의 효과와 구별되는 몇 가지 측면이 있다.I-V 곡선의 발전 영역(개방 회로와 단락 회로 사이)에서 전자는 표류-확산 방정식에서 예상할 수 있는 반대 방향으로 움직이고 있다. 즉, 전자가 더 높은 페르미 레벨로 이동하거나 구멍이 더 낮은 페르미 레벨로 이동한다.이는 이례적이다.예를 들어 일반적인 실리콘 태양전지에서 전자는 전자 준-준-페미 수준이 감소하는 방향으로 움직이고, 구멍은 유동-확산 방정식과 일치하는 홀-준-준-페미 수준이 증가하는 방향으로 움직인다.준페르미레벨이 갈라져야 발전이 가능하다.이와는 대조적으로 대량 태양광 발전은 준페미 수준의 분할 없이 전력을 발생시킬 수 있다.
이는 대형 개방 회로 전압이 (어둠 속에서) 전도성이 매우 낮은 결정에서만 나타나는 경향이 있는 이유도 설명한다.결정체를 통해 자유롭게 이동할 수 있는 모든 전자(즉, 광자가 움직일 필요가 없음)는 표류-확산 방정식을 따를 것이며, 이는 이러한 전자가 광암호화폐에서 빼서 광전 효과를 감소시킨다는 것을 의미한다.
한 전자가 한 개의 광자(I-V 곡선의 발전 영역에서)를 흡수할 때마다 결과 전자 변위는 평균적으로 한 두 개의 단위 셀 또는 평균 자유 경로(이 변위를 "비등로피 거리"[18][20]라고 부르기도 한다.이것은 전자가 이동성, 소산성 상태로 흥분한 다음 몇 번 산란되면, 그 방향은 이제 무작위로 변하며 자연스럽게 표류-분해 방정식을 따르기 시작할 것이기 때문에 필요하다.그러나 대량 태양광 발전 효과에서 원하는 순 전자 운동은 표류-확산 방정식에 의해 예측된 방향과 반대다.
예를 들어, 전자가 광자를 흡수할 때, 전자가 왼쪽으로 움직이는 상태에서 불균형하게 될 가능성이 있는 경우일 수 있다.그리고 아마도 광자가 전자를 흥분시킬 때마다 전자는 약간 왼쪽으로 이동한 다음 다른 광자를 흡수하고 주기가 반복될 때까지 움직이지 않는 상태로 즉시 이완된다.이런 상황에서 전자를 반대 방향으로 밀어내는 전기장에도 불구하고 좌회전 전류가 가능하다.그러나 광자가 전자를 흥분시킬 때, 그것은 재빨리 움직이지 않는 상태로 다시 이완되지 않고, 대신 수정 주위를 계속 움직이고 무작위로 흩어진다면, 결국 전자는 왼쪽으로 움직이고 있었다는 것을 "잊어버리고" 전기장에 의해 우측으로 끌려가게 될 것이다.다시 말하지만, 흡수된 광자당 전자의 총 좌회전 운동은 평균 자유 경로보다 훨씬 클 수 없다.
그 결과 두꺼운 소자의 양자 효율이 극히 낮다는 것이다.한 전극에서 다른 전극으로 하나의 전자를 가져오려면 수백만 개의 광자가 필요할 수 있다.두께가 커지면 전압만큼 전류가 내려간다.
빛 양극화에 따라 물살이 다른 경우도 있다.[18]이것은 실리콘과 같은 평범한 태양 전지에서는 일어나지 않을 것이다.
적용들
대량 태양광 발전 효과는 리튬 니오베이트의 광촉매 효과에 영향을 미치는 것으로 판단된다.[17]
참고 항목
참조
- ^ S.Y. Yang; J. Seidel; S.J. Byrnes; P. Shafer; C.-H. Yang; M.D. Rossell; et al. (2010). "Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices" (PDF). Nature Nanotechnology. 5 (2): 143–7. Bibcode:2010NatNa...5..143Y. doi:10.1038/nnano.2009.451. PMID 20062051.
- ^ a b c d V.M. Fridkin (2001). "Bulk photovoltaic effect in noncentrosymmetric crystals". Crystallography Reports. 46 (4): 654–658. Bibcode:2001CryRp..46..654F. doi:10.1134/1.1387133. S2CID 98554369.
- ^ a b Starkiewicz J., Sosnowski L., Simpson O. (1946). "Photovoltaic Effects Exhibited in High-resistance Semi-conducting Films". Nature. 158 (4001): 28. Bibcode:1946Natur.158...28S. doi:10.1038/158028a0. S2CID 4109726.
{{cite journal}}
: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크) - ^ Goldstein, B.; Pensak, L. (1959). "High‐Voltage Photovoltaic Effect". Journal of Applied Physics. 30 (2): 155–161. Bibcode:1959JAP....30..155G. doi:10.1063/1.1735125.
- ^ a b H. 칼만, B. 크레이머, E. 하이덴마나키스, W. J. 매컬러, H. 바크마이어, P.I. Pollak, J. Electrichem.Soc. 108, 247 (1961년)
- ^ Pal, U.; Saha, S.; Chaudhuri, A. K.; Banerjee, H. (1991). "The anomalous photovoltaic effect in polycrystalline zinc telluride films". Journal of Applied Physics. 69 (9): 6547–6555. Bibcode:1991JAP....69.6547P. doi:10.1063/1.348865.
- ^ M. D. 우센스키, N. G. 이바노바, I. E. Malkis, Sov.물리적- 세미콘드 1, 1059(1968년)
- ^ E. I. Adirovich와 L. M. Gol'dshtein, Sov.도클 9, 795 (1965)
- ^ Reuter Herbert, Schmitt Heinz (1995). "Anomalous photovoltaic effect and negative photoconductivity in thin, amorphous GaAs‐Si films". Journal of Applied Physics. 77 (7): 3209–3218. Bibcode:1995JAP....77.3209R. doi:10.1063/1.358674.
- ^ Levi Aharoni, Hadar; Azulay, Doron; Millo, Oded; Balberg, Isaac (2008). "Anomalous photovoltaic effect in nanocrystalline Si/SiO2 composites". Applied Physics Letters. 92 (11): 112109. Bibcode:2008ApPhL..92k2109L. doi:10.1063/1.2897294. ISSN 0003-6951.
- ^ J. I. 판코브, 반도체 광학 프로세스(Dover Publishments, New York, 1975)
- ^ a b Johnson H R (1975). "The anomalous photovoltaic effect in cadmium telluride". Journal of Physics D: Applied Physics. 8 (13): 1530–1541. Bibcode:1975JPhD....8.1530J. doi:10.1088/0022-3727/8/13/015.
- ^ V. M. 류빈과 G. A.페도로바, 소브물리. 독. 135, 1343 (1960)
- ^ G. 브린코트와 S.마르티누찌, C. R. 아카드Sci. Paris 266, 1283년 (1968년.
- ^ S. M. Ryvkin, 반도체의 광전 효과, 296페이지 (Consultants Bureau, New York, 1964).
- ^ V.I. Belincher; B.I. Sturman (1980). "The photogalvanic effect in media lacking a center of symmetry" (PDF). Sov. Phys. Usp. 23 (3): 199. Bibcode:1980SvPhU..23..199B. doi:10.1070/PU1980v023n03ABEH004703.
- ^ a b A. M. Glass; D. von der Linde; T. J. Negran (1974). "High‐voltage bulk photovoltaic effect and the photorefractive process in LiNbO3". Applied Physics Letters. 25 (4): 233. Bibcode:1974ApPhL..25..233G. doi:10.1063/1.1655453.
- ^ a b c W.T.H. Koch; R. Munser; W. Ruppel; P. Würfel (October 1975). "Bulk photovoltaic effect in BaTiO3". Solid State Communications. 17 (7): 847–850. Bibcode:1975SSCom..17..847K. doi:10.1016/0038-1098(75)90735-8.
- ^ a b S. M. Young & A. M. Rappe (2012). "First Principles Calculation of the Shift Current Photovoltaic Effect in Ferroelectrics" (PDF). Physical Review Letters. 109 (11): 116601. arXiv:1202.3168. Bibcode:2012PhRvL.109k6601Y. doi:10.1103/PhysRevLett.109.116601. PMID 23005660. S2CID 13710483.
- ^ a b Ralph von Baltz & Wolfgang Kraut (1981). "Theory of the bulk photovoltaic effect in pure crystals". Physical Review B. 23 (10): 5590–5596. Bibcode:1981PhRvB..23.5590V. doi:10.1103/PhysRevB.23.5590.