Фотоэлектрический эффект - Photovoltaic effect
Фотогальванический эффект является генерирование напряжения и электрического тока в материале при воздействии света . Это физическое и химическое явление.
Фотоэлектрический эффект тесно связан с фотоэлектрическим эффектом . Для обоих явлений свет поглощается, вызывая возбуждение электрона или другого носителя заряда до состояния с более высокой энергией. Основное отличие состоит в том, что термин фотоэлектрический эффект теперь обычно используется, когда электрон выбрасывается из материала (обычно в вакуум), а фотоэлектрический эффект используется, когда возбужденный носитель заряда все еще содержится в материале. В любом случае электрический потенциал (или напряжение) создается разделением зарядов, и свет должен обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер для возбуждения. Физическая сущность различия обычно состоит в том, что фотоэлектрическая эмиссия разделяет заряды за счет баллистической проводимости, а фотоэлектрическая эмиссия разделяет их за счет диффузии, но некоторые концепции фотоэлектрических устройств с «горячими носителями» стирают это различие.
В первой демонстрации фотоэлектрического эффекта Эдмоном Беккерелем в 1839 году использовалась электрохимическая ячейка. Он объяснил свое открытие в Comptes rendus de l'Académie des Sciences , «производство электрического тока, когда две пластины из платины или золота, погруженные в кислотный, нейтральный или щелочной раствор, неравномерно подвергаются солнечному излучению».
Первый солнечный элемент, состоящий из слоя селена, покрытого тонкой пленкой золота, экспериментировал Чарльз Фриттс в 1884 году, но он имел очень низкую эффективность. Однако в наиболее известной форме фотоэлектрического эффекта используются твердотельные устройства, в основном фотодиоды . Когда на фотодиод падает солнечный свет или другой достаточно энергичный свет, электроны, присутствующие в валентной зоне, поглощают энергию и, будучи возбужденными, переходят в зону проводимости и становятся свободными. Эти возбужденные электроны диффундируют, и некоторые из них достигают выпрямительного перехода (обычно диодного pn-перехода ), где они ускоряются в полупроводниковый материал n-типа встроенным потенциалом ( потенциалом Гальвани ). Это создает электродвижущую силу и электрический ток, и, таким образом, часть световой энергии преобразуется в электрическую. Фотоэлектрический эффект также может возникать, когда два фотона поглощаются одновременно в процессе, называемом двухфотонным фотоэлектрическим эффектом .
Помимо прямого фотогальванического возбуждения свободных электронов, электрический ток также может возникать из-за эффекта Зеебека . Когда проводящий или полупроводниковый материал нагревается за счет поглощения электромагнитного излучения, нагрев может привести к повышенным градиентам температуры в полупроводниковом материале или различиям между материалами. Эти тепловые различия, в свою очередь, могут генерировать напряжение, потому что уровни энергии электронов смещаются по-разному в разных областях, создавая разность потенциалов между этими областями, которые, в свою очередь, создают электрический ток. Относительный вклад фотоэлектрического эффекта по сравнению с эффектом Зеебека зависит от многих характеристик составляющих материалов.
Все вышеперечисленные эффекты генерируют постоянный ток, первая демонстрация фотоэлектрического эффекта переменного тока (AC PV) была проведена доктором Хайян Цзоу и профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2017 году. переменный ток (AC) в неравновесных состояниях, когда свет периодически светит на стык или поверхность раздела материала. Эффект AC PV основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя. Предполагается, что эффект AC PV является результатом относительного сдвига и перестройки между квазиуровнями Ферми полупроводников, прилегающих к переходу / границе раздела в неравновесных условиях. Электронный поток во внешней цепи вперед и назад уравновешивает разность потенциалов между двумя электродами. Органический солнечный элемент, материалы которого не имеют начальной концентрации носителей, не обладают эффектом фотоэлектрического переменного тока.
В большинстве фотоэлектрических применений излучением является солнечный свет, и эти устройства называются солнечными элементами . В случае солнечного элемента с полупроводниковым pn (диодным) переходом, освещение материала создает электрический ток, потому что возбужденные электроны и оставшиеся дырки уносятся в разные стороны встроенным электрическим полем обедненной области. AC PV работает в неравновесных условиях. Первое исследование было основано на нанопленке p-Si / TiO2. Было обнаружено, что за исключением выхода постоянного тока, генерируемого обычным эффектом PV на основе pn перехода, переменный ток также возникает, когда на границе раздела загорается мигающий свет. Эффект переменного тока 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 коммутации может быть намного выше, чем ток от постоянного тока. Величина выходной мощности также связана со светопоглощением материалов.