L'effet photovoltaïque et ses variétés
Pour la première fois, l'effet dit photovoltaïque (ou photovoltaïque) a été observé en 1839 par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel.
Expérimentant dans le laboratoire de son père, il découvrit qu'en éclairant des plaques de platine immergées dans une solution électrolytique, un galvanomètre relié aux plaques indiquait la présence de force électromotrice… Bientôt, Edmund, âgé de dix-neuf ans, trouva une application utile pour sa découverte — il créa un actinographe — un appareil pour enregistrer l'intensité de la lumière incidente.
Aujourd'hui, les effets photovoltaïques regroupent tout un ensemble de phénomènes, d'une manière ou d'une autre, liés à l'apparition d'un courant électrique dans un circuit fermé, qui comprend un échantillon semi-conducteur ou diélectrique éclairé, ou au phénomène EMF sur un échantillon éclairé, si le circuit externe est ouvert. Dans ce cas, on distingue deux types d'effets photovoltaïques.
Le premier type d'effets photovoltaïques comprend: la photo-EMF électrique élevée, la photo-EMF de volume, la photo-EMF de valve, ainsi que l'effet photoépizoélectrique et l'effet Dember.
Les effets photovoltaïques du deuxième type comprennent : l'effet d'entraînement des électrons par les photons, ainsi que les effets photovoltaïques de surface, circulaires et linéaires.
Effets du premier et du deuxième type
Les effets photovoltaïques du premier type sont provoqués par un processus dans lequel un effet lumineux génère des porteurs de charge électrique mobiles de deux caractères - des électrons et des trous, ce qui conduit à leur séparation dans l'espace de l'échantillon.
La possibilité de séparation est liée dans ce cas soit à l'inhomogénéité de l'échantillon (sa surface peut être considérée comme l'inhomogénéité de l'échantillon) soit à l'inhomogénéité de l'éclairement lorsque la lumière est absorbée près de la surface ou lorsqu'une partie seulement de la surface de l'échantillon est éclairée , de sorte que l'EMF se produit en raison d'une augmentation de la vitesse du mouvement thermique des électrons sous l'influence de la lumière qui tombe sur eux.
Les effets photovoltaïques du second type sont liés à l'asymétrie des processus élémentaires d'excitation des porteurs de charge par la lumière, à l'asymétrie de leur diffusion et recombinaison.
Des effets de ce type apparaissent sans la formation supplémentaire de paires de porteurs de charge opposés, ils sont causés par des transitions interbandes ou peuvent être liés à l'excitation de porteurs de charge par des impuretés, de plus, ils peuvent être causés par l'absorption d'énergie lumineuse par le transporteurs gratuits.
Intéressons-nous ensuite aux mécanismes des effets photovoltaïques. Nous nous intéresserons d'abord aux effets photovoltaïques du premier type, puis nous nous intéresserons aux effets du second type.
Effet plus épais
L'effet Dember peut se produire sous un éclairage uniforme de l'échantillon, simplement en raison de la différence des taux de recombinaison de surface sur ses côtés opposés. Avec un éclairage inégal de l'échantillon, l'effet Dember est causé par la différence des coefficients de diffusion (différence de mobilité) des électrons et des trous.
L'effet Dember, initié par un éclairage pulsé, est utilisé pour générer un rayonnement dans la gamme des térahertz. L'effet Dember est plus prononcé dans les semi-conducteurs à haute mobilité électronique et à faible écart, tels que InSb et InAs.[banner_adsense]
Barrière photo-EMF
La grille ou barrière photo-EMF résulte de la séparation des électrons et des trous par un champ électrique de la barrière Schottky dans le cas d'un contact métal-semi-conducteur, ainsi que le champ jonction p-n ou hétérojonction.
Le courant est ici formé par le mouvement des deux porteurs de charge directement générés dans la région de la jonction pn, et des porteurs qui sont excités dans les régions proches de l'électrode et atteignent la région du champ fort par diffusion.
La séparation des paires favorise la formation d'un flux de trous dans la région p et d'un flux d'électrons dans la région n. Si le circuit est ouvert, alors l'EMF agit dans le sens direct pour la jonction p-n, donc son action compense le phénomène d'origine.
Cet effet est la base du fonctionnement cellules solaires et des détecteurs de rayonnement très sensibles à faible réponse.
Photo-EMF volumétrique
La photo-EMF en masse, comme son nom l'indique, résulte de la séparation de paires de porteurs de charge dans la masse de l'échantillon à des inhomogénéités associées à un changement de la concentration du dopant ou à un changement de la composition chimique (si le semi-conducteur est composé).
Ici, la raison de la séparation des paires est la soi-disant Un contre-champ électrique créé par un changement de position du niveau de Fermi, qui à son tour dépend de la concentration en impuretés. Ou, si l'on parle d'un semi-conducteur de composition chimique complexe, la séparation des paires résulte d'un changement de largeur de bande.
Le phénomène d'apparition de photoélectriques massifs est applicable au sondage des semi-conducteurs pour déterminer le degré de leur homogénéité. La résistance de l'échantillon est également liée aux inhomogénéités.
Photo-EMF haute tension
Une photo-EMF anormale (haute tension) se produit lorsqu'un éclairage non uniforme provoque un champ électrique dirigé le long de la surface de l'échantillon. L'amplitude de la FEM résultante sera proportionnelle à la longueur de la zone éclairée et peut atteindre 1000 volts ou plus.
Le mécanisme peut être causé soit par l'effet Dember, si le courant diffus a une composante dirigée vers la surface, soit par la formation d'une structure p-n-p-n-p se projetant vers la surface. La FEM haute tension résultante est la FEM totale de chaque paire de jonctions asymétriques n-p et p-n.
Effet photoépizoélectrique
L'effet photoépizoélectrique est le phénomène d'apparition d'un photocourant ou photoemf lors de la déformation de l'échantillon. L'un de ses mécanismes est l'apparition de champs électromagnétiques massifs lors d'une déformation inhomogène, entraînant une modification des paramètres du semi-conducteur.
Un autre mécanisme d'apparition des CEM photoépisoélectriques est la CEM transverse de Dember, qui se produit sous déformation uniaxiale, ce qui provoque une anisotropie du coefficient de diffusion des porteurs de charge.
Ce dernier mécanisme est le plus efficace dans les déformations multi-vallées des semi-conducteurs, conduisant à une redistribution des porteurs entre les vallées.
Nous avons regardé tous les effets photovoltaïques du premier type, puis nous nous intéresserons aux effets attribués au second type.
L'effet de l'attraction des électrons par les photons
Cet effet est lié à l'asymétrie dans la distribution des photoélectrons sur la quantité de mouvement obtenue à partir des photons. Dans les structures bidimensionnelles avec des transitions de minibande optique, le photocourant glissant est principalement causé par des transitions d'électrons avec une certaine direction d'impulsion et peut dépasser de manière significative le courant correspondant dans les cristaux massifs.
Effet photovoltaïque linéaire
Cet effet est dû à la distribution asymétrique des photoélectrons dans l'échantillon. Ici, l'asymétrie est formée par deux mécanismes, dont le premier est balistique, lié à la directionnalité de l'impulsion lors des transitions quantiques, et le second est le cisaillement, dû au déplacement du centre de gravité du paquet d'ondes d'électrons lors les transitions quantiques.
L'effet photovoltaïque linéaire n'est pas lié au transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons, par conséquent, avec une polarisation linéaire fixe, il ne change pas lorsque la direction de propagation de la lumière est inversée.Les processus d'absorption et de diffusion de la lumière et de recombinaison contribuent à la courant (ces contributions sont compensées à l'équilibre thermique).
Cet effet, appliqué aux diélectriques, permet d'appliquer le mécanisme de la mémoire optique, car il entraîne une modification de l'indice de réfraction, qui dépend de l'intensité de la lumière, et se poursuit même après son extinction.
Effet photovoltaïque circulaire
L'effet se produit lorsqu'il est éclairé par une lumière polarisée elliptiquement ou circulairement provenant de cristaux gyrotropes. L'EMF inverse le signe lorsque la polarisation change. La raison de cet effet réside dans la relation entre le spin et l'impulsion électronique, qui est inhérente aux cristaux gyrotropes. Lorsque les électrons sont excités par une lumière polarisée circulairement, leurs spins sont orientés optiquement et, par conséquent, une impulsion de courant directionnelle se produit.
La présence de l'effet inverse se traduit par l'apparition d'une activité optique sous l'action d'un courant : le courant transmis provoque l'orientation des spins dans les cristaux gyrotropes.
Les trois derniers effets servent dans les récepteurs inertiels. rayonnement laser.
Effet photovoltaïque de surface
L'effet photovoltaïque de surface se produit lorsque la lumière est réfléchie ou absorbée par des porteurs de charge libres dans les métaux et les semi-conducteurs en raison du transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons lors d'une incidence oblique de la lumière et également lors d'une incidence normale si la normale à la surface du cristal diffère en direction de l'un des axes principaux du cristal.
L'effet consiste en un phénomène de diffusion de porteurs de charge excités par la lumière à la surface de l'échantillon. Dans le cas de l'absorption interbande, elle se produit sous la condition qu'une fraction significative des porteurs excités atteignent la surface sans se diffuser.
Ainsi, lorsque les électrons sont réfléchis par la surface, un courant balistique se forme, dirigé perpendiculairement à la surface. Si, lors de l'excitation, les électrons s'organisent en inertie, un courant dirigé le long de la surface peut apparaître.
La condition d'apparition de cet effet est la différence de signe des composantes non nulles des valeurs moyennes de l'impulsion "vers la surface" et "depuis la surface" pour les électrons se déplaçant le long de la surface. La condition est remplie, par exemple, dans les cristaux cubiques, lors de l'excitation des porteurs de charge de la bande de valence dégénérée à la bande de conduction.
Dans la diffusion diffuse par une surface, les électrons qui l'atteignent perdent la composante de l'impulsion le long de la surface, tandis que les électrons qui s'éloignent de la surface la conservent. Cela conduit à l'apparition d'un courant en surface.