Fotovoltaik etki - Photovoltaic effect

Fotovoltaik etki gerilim ve üretimini olan elektrik akımına maruz kaldığında bir malzemedeki ışık . Bu a, fiziksel ve kimyasal bir olgudur.

Fotovoltaik etki, fotoelektrik etki ile yakından ilişkilidir . Her iki fenomen için de ışık emilir ve bir elektronun veya başka bir yük taşıyıcının daha yüksek bir enerji durumuna uyarılmasına neden olur . Temel ayrım, fotoelektrik etki teriminin artık genellikle elektron materyalden dışarı atıldığında (genellikle bir vakuma) ve fotovoltaik etkinin , uyarılmış yük taşıyıcı hala materyal içinde bulunduğunda kullanılmasıdır. Her iki durumda da, yüklerin ayrılmasıyla bir elektrik potansiyeli (veya voltaj) üretilir ve ışığın, uyarım için potansiyel engeli aşmak için yeterli bir enerjiye sahip olması gerekir. Farkın fiziksel özü genellikle fotoelektrik emisyonun yükleri balistik iletimle ayırması ve fotovoltaik emisyonun bunları difüzyonla ayırmasıdır, ancak bazı "sıcak taşıyıcı" fotovoltaik cihaz kavramları bu ayrımı bulanıklaştırır.

Fotovoltaik etkinin ilk gösterimi 1839'da Edmond Becquerel tarafından bir elektrokimyasal hücre kullandı. Keşfini Comptes rendus de l'Académie des Sciences'da "asit, nötr veya alkalin bir çözeltiye batırılmış iki platin veya altın levhasının düzensiz bir şekilde güneş radyasyonuna maruz kalmasıyla ortaya çıkan bir elektrik akımı üretimi" olarak açıkladı .

İnce bir altın filmiyle kaplanmış bir selenyum tabakasından oluşan ilk güneş pili, 1884'te Charles Fritts tarafından denendi , ancak verimi çok düşüktü. Bununla birlikte, fotovoltaik etkinin en bilinen biçimi, esas olarak fotodiyotlarda olmak üzere katı hal aygıtlarını kullanır . Fotodiyot üzerine güneş ışığı veya yeterince enerjik başka bir ışık geldiğinde, değerlik bandında bulunan elektronlar enerjiyi emer ve uyarılarak iletim bandına atlar ve serbest kalır. Bu uyarılmış elektronlar yayılır ve bazıları , yerleşik potansiyel ( Galvani potansiyeli ) tarafından n-tipi yarı iletken malzemeye hızlandırıldıkları doğrultucu bağlantıya (genellikle bir diyot pn bağlantısı ) ulaşır . Bu, bir elektromotor kuvvet ve bir elektrik akımı üretir ve böylece ışık enerjisinin bir kısmı elektrik enerjisine dönüştürülür. Fotovoltaik etki, iki fotonlu fotovoltaik etki adı verilen bir süreçte iki foton aynı anda emildiğinde de meydana gelebilir .

Fotovoltaik etkinin bant diyagramı çizimi. Fotonlar , enerjilerini tükenme veya yarı nötr bölgelerdeki elektronlara verir. Bunlar hareket valans için iletim bandı . Yere bağlı olarak, elektronlar ve delikler sürüklenme elektrik alanı tarafından hızlandırılan E sürüklenme nesil verir, fotoakım veya elektrik alanı saçarak e Scatt fotoakım saçılım verir.

Serbest elektronların doğrudan fotovoltaik uyarılmasına ek olarak, Seebeck etkisi yoluyla bir elektrik akımı da ortaya çıkabilir . İletken veya yarı iletken malzeme, elektromanyetik radyasyonun absorpsiyonu ile ısıtıldığında, ısıtma, yarı iletken malzemede artan sıcaklık gradyanlarına veya malzemeler arasındaki farklılıklara yol açabilir. Bu termal farklılıklar sırayla bir voltaj üretebilir, çünkü elektron enerji seviyeleri farklı alanlarda farklı şekilde kaydırılır ve bu alanlar arasında bir elektrik akımı oluşturan potansiyel bir fark yaratır. Fotovoltaik etkinin Seebeck etkisine göre göreceli katkıları, kurucu malzemelerin birçok özelliğine bağlıdır.

Yukarıdaki tüm etkiler doğru akım üretir, alternatif akım fotovoltaik etkisinin (AC PV) ilk gösterimi, 2017 yılında Georgia Institute of Technology'de Dr. Haiyang Zou ve Prof. Zhong Lin Wang tarafından yapılmıştır. AC PV etkisi, Dengesizlik durumundaki alternatif akım (AC), ışığın malzemenin birleşim noktasında veya ara yüzeyinde periyodik olarak parladığı durumlardır. AC PV etkisi, akımın güçlü bir şekilde kıyıcının frekansına bağlı olduğu kapasitif modele dayanmaktadır. AC PV etkisinin, dengesiz koşullar altında bağlantıya/arayüze bitişik yarı iletkenlerin yarı-Fermi seviyeleri arasındaki nispi kayma ve yeniden hizalanmanın bir sonucu olduğu ileri sürülmektedir. İki elektrot arasındaki potansiyel farkı dengelemek için dış devredeki elektron akışı ileri geri. Malzemelerin başlangıç ​​taşıyıcı konsantrasyonunun olmadığı organik güneş pili, AC PV etkisine sahip değildir.

Çoğu fotovoltaik uygulamada radyasyon güneş ışığıdır ve cihazlara güneş pilleri denir . Bir yarı iletken pn (diyot) bağlantı güneş pili durumunda, uyarılmış elektronlar ve kalan delikler tükenme bölgesinin yerleşik elektrik alanı tarafından farklı yönlerde süpürüldüğü için malzemenin aydınlatılması bir elektrik akımı oluşturur. AC PV, denge dışı koşullarda çalıştırılır. İlk çalışma, bir p-Si/TiO2 nanofilmine dayanıyordu. Bir pn bağlantısına dayalı geleneksel PV etkisi tarafından üretilen DC çıkışı dışında, arayüzde yanıp sönen bir ışık yandığında AC akımının da üretildiği bulunmuştur. AC PV etkisi, akımın güçlü bir şekilde kıyıcının frekansına bağlı olduğu, ancak voltajın frekanstan bağımsız olduğu kapasitif modele dayanarak Ohm yasasını izlemez. AC'nin yüksek anahtarlama frekansındaki tepe akımı, DC'den çok daha yüksek olabilir. Çıktının büyüklüğü ayrıca malzemelerin ışık emilimi ile de ilişkilidir.

Ayrıca bakınız

Referanslar