ફોટોવોલ્ટેઇક અસર અને તેની જાતો

પ્રથમ વખત, કહેવાતી ફોટોવોલ્ટેઇક (અથવા ફોટોવોલ્ટેઇક) અસર ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી એલેક્ઝાન્ડ્રે એડમંડ બેકરેલ દ્વારા 1839 માં જોવા મળી હતી.

તેમના પિતાની પ્રયોગશાળામાં પ્રયોગ કરીને, તેમણે શોધ્યું કે ઇલેક્ટ્રોલિટીક દ્રાવણમાં ડૂબેલી પ્લેટિનમ પ્લેટોને પ્રકાશિત કરીને, પ્લેટો સાથે જોડાયેલ ગેલ્વેનોમીટરની હાજરી સૂચવે છે. ઇલેક્ટ્રોમોટિવ બળ... ટૂંક સમયમાં ઓગણીસ વર્ષના એડમન્ડને તેની શોધ માટે ઉપયોગી એપ્લિકેશન મળી - તેણે એક્ટિનોગ્રાફ બનાવ્યો - ઘટના પ્રકાશની તીવ્રતા રેકોર્ડ કરવા માટેનું એક ઉપકરણ.

આજે, ફોટોવોલ્ટેઇક અસરોમાં ઘટનાના સંપૂર્ણ જૂથનો સમાવેશ થાય છે, એક રીતે અથવા બીજી રીતે, બંધ સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહના દેખાવ સાથે સંબંધિત, જેમાં પ્રકાશિત સેમિકન્ડક્ટર અથવા ડાઇલેક્ટ્રિક નમૂનાનો સમાવેશ થાય છે, અથવા પ્રકાશિત નમૂના પર EMF ઘટના, જો બાહ્ય સર્કિટ ખુલ્લી છે. આ કિસ્સામાં, બે પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઇક અસરોને અલગ પાડવામાં આવે છે.

પ્રથમ પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઇક અસરોમાં સમાવેશ થાય છે: ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રિક ફોટો-EMF, વોલ્યુમ ફોટો-EMF, વાલ્વ ફોટો-EMF, તેમજ ફોટોપીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર અને ડેમ્બર અસર.

બીજા પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઇક અસરોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: ફોટોન દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવેશની અસર, તેમજ સપાટી, ગોળ અને રેખીય ફોટોવોલ્ટેઇક અસરો.

પ્રથમ અને બીજા પ્રકારની અસરો

પ્રથમ પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઇક અસરો એવી પ્રક્રિયાને કારણે થાય છે જેમાં પ્રકાશ અસર બે અક્ષરોના મોબાઇલ ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ કેરિયર્સ પેદા કરે છે - ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો, જે નમૂનાની જગ્યામાં તેમના અલગ થવા તરફ દોરી જાય છે.

વિભાજનની શક્યતા આ કિસ્સામાં કાં તો નમૂનાની અસંગતતા (તેની સપાટીને નમૂનાની અસંગતતા તરીકે ગણી શકાય) અથવા પ્રકાશની અસંગતતા સાથે સંબંધિત છે જ્યારે પ્રકાશ સપાટીની નજીક શોષાય છે અથવા જ્યારે તેનો માત્ર એક ભાગ હોય છે. નમૂનાની સપાટી પ્રકાશિત થાય છે, તેથી તેમના પર પડતા પ્રકાશના પ્રભાવ હેઠળ ઇલેક્ટ્રોનની થર્મલ હિલચાલની ઝડપમાં વધારો થવાને કારણે EMF ઉદ્ભવે છે.

બીજા પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઇક અસરો પ્રકાશ દ્વારા ચાર્જ કેરિયર્સની ઉત્તેજનાની પ્રાથમિક પ્રક્રિયાઓની અસમપ્રમાણતા, તેમના વેરવિખેર અને પુનઃસંયોજનની અસમપ્રમાણતા સાથે સંકળાયેલી છે.

આ પ્રકારની અસરો વિરોધી ચાર્જ કેરિયર્સની જોડીની વધારાની રચના વિના દેખાય છે, તે ઇન્ટરબેન્ડ સંક્રમણોને કારણે થાય છે અથવા અશુદ્ધિઓ દ્વારા ચાર્જ કેરિયર્સના ઉત્તેજનાથી સંબંધિત હોઈ શકે છે, વધુમાં, તે પ્રકાશ ઊર્જાના શોષણને કારણે થઈ શકે છે. મફત ચાર્જ કેરિયર્સ.

આગળ, ચાલો ફોટોવોલ્ટેઇક અસરોની પદ્ધતિઓ જોઈએ. આપણે સૌપ્રથમ પ્રથમ પ્રકારની ફોટોવોલ્ટેઈક અસરો જોઈશું, પછી બીજા પ્રકારની અસરો તરફ અમારું ધ્યાન ફેરવીશું.

જાડી અસર

ડેમ્બર અસર નમૂનાના સમાન પ્રકાશ હેઠળ થઈ શકે છે, ફક્ત તેની વિરુદ્ધ બાજુઓ પર સપાટીના પુનઃસંયોજન દરમાં તફાવતને કારણે. નમૂનાના અસમાન પ્રકાશ સાથે, ડેમ્બર અસર ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના પ્રસરણ ગુણાંક (ગતિશીલતામાં તફાવત) માં તફાવતને કારણે થાય છે.

સ્પંદનીય પ્રકાશ દ્વારા શરૂ કરાયેલ ડેમ્બર અસરનો ઉપયોગ ટેરાહર્ટ્ઝ શ્રેણીમાં રેડિયેશન પેદા કરવા માટે થાય છે. ડેમ્બર અસર ઉચ્ચ-ઇલેક્ટ્રોન-મોબિલિટી, સાંકડા-ગેપ સેમિકન્ડક્ટર જેમ કે InSb અને InAs માં સૌથી વધુ ઉચ્ચારવામાં આવે છે.[banner_adsense]

અવરોધ ફોટો-EMF

વિદ્યુત ક્ષેત્ર દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના વિભાજનથી ગેટ અથવા બેરિયર ફોટો-ઇએમએફ પરિણામ આવે છે. Schottky અવરોધ મેટલ-સેમિકન્ડક્ટર સંપર્ક, તેમજ ક્ષેત્રના કિસ્સામાં p-n-જંકશન અથવા હેટરોજંકશન.

Pn-જંકશનના પ્રદેશમાં સીધા જ ઉત્પન્ન થતા બંને ચાર્જ કેરિયર્સની હિલચાલ અને તે વાહકો જે ઇલેક્ટ્રોડની નજીકના પ્રદેશોમાં ઉત્તેજિત થાય છે અને પ્રસરણ દ્વારા મજબૂત ક્ષેત્રના પ્રદેશમાં પહોંચે છે તેના દ્વારા અહીં પ્રવાહ રચાય છે.

જોડીનું વિભાજન p પ્રદેશમાં છિદ્ર પ્રવાહ અને n પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહની રચનાને પ્રોત્સાહન આપે છે. જો સર્કિટ ખુલ્લું હોય, તો EMF p-n જંકશન માટે સીધી દિશામાં કાર્ય કરે છે, તેથી તેની ક્રિયા મૂળ ઘટનાને વળતર આપે છે.

આ અસર કામગીરીનો આધાર છે સૌર કોષો અને ઓછા પ્રતિભાવ સાથે અત્યંત સંવેદનશીલ રેડિયેશન ડિટેક્ટર.

વોલ્યુમેટ્રિક ફોટો-EMF

બલ્ક ફોટો-ઇએમએફ, તેનું નામ સૂચવે છે તેમ, ડોપન્ટની સાંદ્રતામાં ફેરફાર સાથે અથવા રાસાયણિક રચનામાં ફેરફાર સાથે સંકળાયેલ અસંગતતામાં નમૂનાના બલ્કમાં ચાર્જ કેરિયર્સની જોડીને અલગ કરવાના પરિણામે ઉદ્ભવે છે (જો સેમિકન્ડક્ટર સંયોજન છે).

અહીં, જોડીના અલગ થવાનું કારણ કહેવાતા છે ફર્મી સ્તરની સ્થિતિમાં ફેરફાર દ્વારા બનાવેલ કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર, જે બદલામાં અશુદ્ધતાની સાંદ્રતા પર આધારિત છે. અથવા, જો આપણે જટિલ રાસાયણિક રચનાવાળા સેમિકન્ડક્ટર વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ, તો જોડીનું વિભાજન બેન્ડની પહોળાઈમાં ફેરફારને કારણે થાય છે.

જથ્થાબંધ ફોટોઇલેક્ટ્રિક્સના દેખાવની ઘટના સેમિકન્ડક્ટર્સની તેમની એકરૂપતાની ડિગ્રી નક્કી કરવા માટે તપાસ કરવા માટે લાગુ પડે છે. નમૂનાનો પ્રતિકાર પણ અસંગતતા સાથે સંબંધિત છે.

ઉચ્ચ વોલ્ટેજ ફોટો-EMF

અસામાન્ય (ઉચ્ચ વોલ્ટેજ) ફોટો-ઇએમએફ ત્યારે થાય છે જ્યારે બિન-સમાન પ્રકાશને કારણે નમૂનાની સપાટી સાથે નિર્દેશિત ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર થાય છે. પરિણામી EMF ની તીવ્રતા પ્રકાશિત વિસ્તારની લંબાઈના પ્રમાણસર હશે અને તે 1000 વોલ્ટ અથવા વધુ સુધી પહોંચી શકે છે.

મિકેનિઝમ કાં તો ડેમ્બર અસરને કારણે થઈ શકે છે, જો પ્રસરેલા પ્રવાહમાં સપાટી-નિર્દેશિત ઘટક હોય, અથવા સપાટી પર પ્રક્ષેપિત p-n-p-n-p રચનાની રચના થઈ શકે. પરિણામી ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ EMF એ અસમપ્રમાણ n-p અને p-n જંકશનની દરેક જોડીનો કુલ EMF છે.

ફોટોપીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર

ફોટોપીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર એ નમૂનાના વિરૂપતા દરમિયાન ફોટોક્યુરન્ટ અથવા ફોટોએએમએફના દેખાવની ઘટના છે. તેની મિકેનિઝમ્સમાંની એક અસંગત વિકૃતિ દરમિયાન બલ્ક ઇએમએફનો દેખાવ છે, જે સેમિકન્ડક્ટરના પરિમાણોમાં ફેરફાર તરફ દોરી જાય છે.

ફોટોએપિસોઇલેક્ટ્રિક ઇએમએફના દેખાવ માટેની બીજી પદ્ધતિ ટ્રાન્સવર્સ ડેમ્બર ઇએમએફ છે, જે અક્ષીય વિકૃતિ હેઠળ થાય છે, જે ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રસાર ગુણાંકની એનિસોટ્રોપીનું કારણ બને છે.

મલ્ટિવેલી સેમિકન્ડક્ટર વિકૃતિઓમાં બાદની પદ્ધતિ સૌથી અસરકારક છે, જે ખીણો વચ્ચે વાહકોનું પુનઃવિતરણ તરફ દોરી જાય છે.

અમે પ્રથમ પ્રકારની તમામ ફોટોવોલ્ટેઇક અસરો જોઈ છે, પછી અમે બીજા પ્રકારને આભારી અસરો જોઈશું.

ફોટોન દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન આકર્ષણની અસર

આ અસર ફોટોનમાંથી મેળવેલા વેગ પર ફોટોઈલેક્ટ્રોનના વિતરણમાં અસમપ્રમાણતા સાથે સંબંધિત છે. ઓપ્ટિકલ મિનીબેન્ડ સંક્રમણો સાથેના દ્વિ-પરિમાણીય માળખામાં, સ્લાઇડિંગ ફોટોકરન્ટ મુખ્યત્વે ચોક્કસ વેગ દિશા સાથે ઇલેક્ટ્રોન સંક્રમણોને કારણે થાય છે અને બલ્ક ક્રિસ્ટલ્સમાં અનુરૂપ વર્તમાનને નોંધપાત્ર રીતે ઓળંગી શકે છે.

લીનિયર ફોટોવોલ્ટેઇક અસર

આ અસર નમૂનામાં ફોટોઈલેક્ટ્રોનના અસમપ્રમાણ વિતરણને કારણે છે. અહીં, અસમપ્રમાણતા બે મિકેનિઝમ્સ દ્વારા રચાય છે, જેમાંથી પ્રથમ બેલિસ્ટિક છે, જે ક્વોન્ટમ સંક્રમણો દરમિયાન પલ્સની દિશાત્મકતા સાથે સંબંધિત છે, અને બીજી શીયર છે, જે દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોનના વેવપેકેટના ગુરુત્વાકર્ષણ કેન્દ્રના શિફ્ટને કારણે છે. ક્વોન્ટમ સંક્રમણો.

રેખીય ફોટોવોલ્ટેઇક અસર ફોટોનથી ઇલેક્ટ્રોનમાં વેગના સ્થાનાંતરણ સાથે સંબંધિત નથી, તેથી, નિશ્ચિત રેખીય ધ્રુવીકરણ સાથે, જ્યારે પ્રકાશના પ્રસારની દિશા ઉલટાવી દેવામાં આવે ત્યારે તે બદલાતી નથી. વર્તમાન (આ યોગદાન થર્મલ સંતુલન પર વળતર આપવામાં આવે છે).

આ અસર, ડાઇલેક્ટ્રિક્સ પર લાગુ, ઓપ્ટિકલ મેમરીની પદ્ધતિને લાગુ કરવાનું શક્ય બનાવે છે, કારણ કે તે રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સમાં ફેરફાર તરફ દોરી જાય છે, જે પ્રકાશની તીવ્રતા પર આધારિત છે, અને તે બંધ થયા પછી પણ ચાલુ રહે છે.

પરિપત્ર ફોટોવોલ્ટેઇક અસર

અસર ત્યારે થાય છે જ્યારે ગાયરોટ્રોપિક સ્ફટિકોમાંથી લંબગોળ અથવા ગોળાકાર ધ્રુવીકૃત પ્રકાશ દ્વારા પ્રકાશિત થાય છે. જ્યારે ધ્રુવીકરણ બદલાય છે ત્યારે EMF સાઇન રિવર્સ કરે છે. અસરનું કારણ સ્પિન અને ઇલેક્ટ્રોન વેગ વચ્ચેના સંબંધમાં રહેલું છે, જે ગાયરોટ્રોપિક સ્ફટિકોમાં સહજ છે. જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન ગોળાકાર ધ્રુવીકૃત પ્રકાશથી ઉત્તેજિત થાય છે, ત્યારે તેમની સ્પિન ઓપ્ટીકલી ઓરિએન્ટેડ હોય છે, અને તે મુજબ દિશાત્મક વર્તમાન પલ્સ થાય છે.

?

વિપરિત અસરની હાજરી વર્તમાનની ક્રિયા હેઠળ ઓપ્ટિકલ પ્રવૃત્તિના દેખાવમાં વ્યક્ત થાય છે: પ્રસારિત પ્રવાહ ગાયરોટ્રોપિક સ્ફટિકોમાં સ્પિન્સની દિશાનું કારણ બને છે.

છેલ્લી ત્રણ અસરો ઇનર્શિયલ રીસીવરોમાં સેવા આપે છે. લેસર રેડિયેશન.

સપાટી ફોટોવોલ્ટેઇક અસર

સપાટીની ફોટોવોલ્ટેઇક અસર ત્યારે થાય છે જ્યારે પ્રકાશની ત્રાંસી ઘટના દરમિયાન ફોટોનથી ઇલેક્ટ્રોનમાં વેગના સ્થાનાંતરણને કારણે ધાતુઓ અને સેમિકન્ડક્ટર્સમાં મુક્ત ચાર્જ કેરિયર્સ દ્વારા પ્રકાશ પ્રતિબિંબિત થાય છે અથવા શોષાય છે અને સામાન્ય ઘટના દરમિયાન પણ જો સ્ફટિકની સપાટીમાં સામાન્ય તફાવત હોય તો. મુખ્ય ક્રિસ્ટલ અક્ષમાંથી એક દિશા.

નમૂનાની સપાટી પર પ્રકાશ-ઉત્તેજિત ચાર્જ કેરિયર્સના છૂટાછવાયાની ઘટનામાં અસરનો સમાવેશ થાય છે. ઇન્ટરબેન્ડ શોષણના કિસ્સામાં, તે એવી સ્થિતિ હેઠળ થાય છે કે ઉત્તેજિત વાહકોનો નોંધપાત્ર અપૂર્ણાંક છૂટાછવાયા વિના સપાટી પર પહોંચે છે.

તેથી જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન સપાટી પરથી પ્રતિબિંબિત થાય છે, ત્યારે બેલિસ્ટિક પ્રવાહ રચાય છે, જે સપાટી પર કાટખૂણે નિર્દેશિત થાય છે. જો, ઉત્તેજના પર, ઇલેક્ટ્રોન પોતાને જડતામાં ગોઠવે છે, તો સપાટી પર નિર્દેશિત પ્રવાહ દેખાઈ શકે છે.

આ અસરની ઘટના માટેની સ્થિતિ એ સપાટી પર ફરતા ઇલેક્ટ્રોન માટે "સપાટી તરફ" અને "સપાટી પરથી" વેગના સરેરાશ મૂલ્યોના બિન-શૂન્ય ઘટકોના ચિહ્નમાં તફાવત છે. શરત પરિપૂર્ણ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, ઘન સ્ફટિકોમાં, ડીજનરેટ વેલેન્સ બેન્ડથી વહન બેન્ડમાં ચાર્જ કેરિયર્સના ઉત્તેજના પર.

સપાટી દ્વારા ફેલાયેલા સ્કેટરિંગમાં, તેના સુધી પહોંચતા ઇલેક્ટ્રોન સપાટીની સાથે વેગનો ઘટક ગુમાવે છે, જ્યારે સપાટીથી દૂર જતા ઇલેક્ટ્રોન તેને જાળવી રાખે છે. આ સપાટી પર વર્તમાનના દેખાવ તરફ દોરી જાય છે.