Фотогальванический эффект — это генерация напряжения и электрического тока в материале под воздействием света . Это физическое явление. [1]
Фотогальванический эффект тесно связан с фотоэлектрическим эффектом . В обоих явлениях свет поглощается, вызывая возбуждение электрона или другого носителя заряда до состояния с более высокой энергией. Главное различие заключается в том, что термин фотоэлектрический эффект теперь обычно используется, когда электрон выбрасывается из материала (обычно в вакуум), а фотогальванический эффект используется, когда возбужденный носитель заряда все еще содержится внутри материала. В любом случае электрический потенциал (или напряжение) создается путем разделения зарядов, и свет должен иметь достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер для возбуждения. Физическая суть различия обычно заключается в том, что фотоэлектрическая эмиссия разделяет заряды посредством баллистической проводимости , а фотогальваническая эмиссия разделяет их посредством диффузии, но некоторые концепции фотогальванических устройств с «горячими носителями» стирают это различие.
Первая демонстрация фотогальванического эффекта Эдмоном Беккерелем в 1839 году использовала электрохимическую ячейку. Он объяснил свое открытие в Comptes rendus de l'Académie des sciences , «производство электрического тока, когда две пластины платины или золота, погруженные в кислый, нейтральный или щелочной раствор, подвергаются неравномерному воздействию солнечного излучения». [2]
Первый солнечный элемент, состоящий из слоя селена , покрытого тонкой пленкой золота, был экспериментально испытан Чарльзом Фриттсом в 1884 году, но он имел очень низкую эффективность. [3] Однако наиболее известная форма фотогальванического эффекта использует твердотельные устройства, в основном в фотодиодах . Когда солнечный свет или другой достаточно энергичный свет падает на фотодиод, электроны, присутствующие в валентной зоне , поглощают энергию и, возбуждаясь, переходят в зону проводимости и становятся свободными. Эти возбужденные электроны диффундируют, и некоторые из них достигают выпрямительного перехода (обычно диодного p–n-перехода ), где они ускоряются в полупроводниковом материале n-типа встроенным потенциалом ( потенциалом Гальвани ). Это создает электродвижущую силу и электрический ток, и, таким образом, часть световой энергии преобразуется в электрическую энергию. Фотогальванический эффект может также возникать, когда два фотона поглощаются одновременно в процессе, называемом двухфотонным фотогальваническим эффектом .
В дополнение к прямому фотоэлектрическому возбуждению свободных электронов, электрический ток может также возникать через эффект Зеебека . Когда проводящий или полупроводниковый материал нагревается путем поглощения электромагнитного излучения, нагрев может привести к увеличению градиентов температуры в полупроводниковом материале или разницы между материалами. Эти тепловые различия, в свою очередь, могут генерировать напряжение, поскольку уровни энергии электронов смещаются по-разному в разных областях, создавая разность потенциалов между этими областями, которые, в свою очередь, создают электрический ток. Относительные вклады фотоэлектрического эффекта по сравнению с эффектом Зеебека зависят от многих характеристик составляющих материалов. [ необходима цитата ]
Все вышеперечисленные эффекты генерируют постоянный ток, первая демонстрация переменного тока фотоэлектрического эффекта (AC PV) была проведена доктором Хайяном Цзоу и профессором Чжун Линь Ваном в Технологическом институте Джорджии в 2017 году. AC PV эффект - это генерация переменного тока (AC) в неравновесных состояниях, когда свет периодически светит на соединение или интерфейс материала. [5] AC PV эффект основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя. Предполагается, что AC PV эффект является результатом относительного сдвига и перестройки между квазиуровнями Ферми полупроводников, прилегающих к соединению/интерфейсу в неравновесных условиях. Электроны текут во внешней цепи вперед и назад, чтобы уравновесить разность потенциалов между двумя электродами. Органический солнечный элемент, в материалах которого нет начальной концентрации носителей, не имеет AC PV эффекта.
Производительность фотоэлектрического модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от глобальной падающей освещенности G на плоскости модуля. Однако температура T p–n-перехода также влияет на основные электрические параметры: ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC и максимальную мощность Pmax. Первые исследования поведения фотоэлектрических ячеек при различных условиях G и T датируются несколькими десятилетиями назад.1-4 В целом известно, что VOC показывает значительную обратную корреляцию с T, тогда как для ISC эта корреляция прямая, но слабее, так что это увеличение не компенсирует уменьшение VOC. Как следствие, Pmax уменьшается при увеличении T. Эта корреляция между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его перехода зависит от полупроводникового материала2 и обусловлена влиянием T на концентрацию, время жизни и подвижность собственных носителей, то есть электронов и дырок, внутри фотоэлектрического элемента.
Температурная чувствительность обычно описывается некоторыми температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную параметра, к которому он относится, по отношению к температуре перехода. Значения этих параметров можно найти в любом техническом описании фотоэлектрического модуля; они следующие:
– β Коэффициент вариации VOC относительно T, определяемый как ∂VOC/∂T.
– α Коэффициент вариации ISC относительно T, определяемый как ∂ISC/∂T.
– δ Коэффициент вариации Pmax относительно T, определяемый как ∂Pmax/∂T.
Методы оценки этих коэффициентов из экспериментальных данных можно найти в литературе. [6] Немногие исследования анализируют изменение последовательного сопротивления в зависимости от температуры ячейки или модуля. Эта зависимость изучается путем соответствующей обработки кривой тока-напряжения. Температурный коэффициент последовательного сопротивления оценивается с использованием модели с одним диодом или с двумя диодами. [7]
В большинстве фотоэлектрических приложений источником излучения является солнечный свет, а устройства называются солнечными элементами . В случае полупроводникового p–n (диодного) солнечного элемента освещение материала создает электрический ток, поскольку возбужденные электроны и оставшиеся дырки разлетаются в разных направлениях встроенным электрическим полем обедненной области. [8]
AC PV работает в неравновесных условиях. Первое исследование было основано на нанопленке p-Si/TiO 2 . Обнаружено, что за исключением постоянного тока, генерируемого обычным фотоэлектрическим эффектом на основе p–n-перехода, переменный ток также вырабатывается при освещении интерфейса мигающим светом. Эффект AC PV не подчиняется закону Ома, поскольку основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя, а напряжение не зависит от частоты. Пиковый ток переменного тока при высокой частоте переключения может быть намного выше, чем у постоянного тока. Величина выходного тока также связана с поглощением света материалами.