Homojonctiunea p-n. Efectul fotovoltaic intern

Homojonctiunea p-n. Efectul fotovoltaic intern

Prin jonctiune se intelege o regiune foarte ingusta dintr-un solid in care se schimba conductia electronica de la un tip la altul, cand se trece de la o extremitate a ei la cealalta.

Homojonctiunea se formeaza  din acelasi semiconductor, de exemplu Si (monocristalin) la contactul a doua regiuni cu tipuri de conductie opuse "p" si "n" obtinute prin impurificare.

Efectul fotovoltaic consta in transformarea directa a energiei de radiatie luminoasa in energie electrica intr-un corp solid.

Intelegerea efectului fotovoltaic este legat de cunoasterea fenomenelor care au loc intr-o jonctiune p-n formata prin punerea in contact a doua materiale semiconductoare unul de tip p si altul tip n. Cel mai simplu este sa consideram jonctiunea drept un plan perpendicular pe directia x, plan care separa regiunea n de regiunea p [7].

Dupa modul in care sunt distribuiti atomii donori si acceptorii de-a lungul directiei x, jonctiunile p-n pot fi abrupte sau gradate, simetrice sau nesimetrice.

Se considera o jonctiune neomogena (extrinseca) de tipul p-n obtinuta prin  impurificare. Densitatea sarcinilor libere, goluri si respectiv electroni nu mai este identica cu cea pe care ar avea-o separat fiecare tip de semiconductor.

Astfel ca la contactul intre regiunea p si regiunea n realizat in jonctiune, densitatea electronilor liberi fiind mai mare in regiunea n decat in regiunea p electronii dintr-un strat de grosime x_n din regiunea n difuzeaza in regiunea p, unde recombina cu golurile (figura 3.7).

Procesul prin care dintr-un electron liber si un gol se reface o legatura chimica se numeste  recombinare. Recombinarea este insotita de degajare de energie, si determina scaderea concentratiei de electroni din zona n si a golurilor din zona p.

Golurile libere dintr-un strat de grosime x_p din regiunea p difuzeaza in regiunea n unde recombina cu electronii. Ca urmare a difuziei electronilor din regiunea n in regiunea p, regiune initial neutra electric, acesta se incarca negativ, potentialul ei scade, iar regiunea n, initial neutra electric, ramane incarcata pozitiv, potentialul ei creste.

La echilibru, regiunile de grosime x_n si x_p situate de o parte si de alta a jonctiunii se afla saracite in purtatori mobili. Astfel, se stabileste un strat dublu de sarcina spatiala (regiune cu sarcina spatiala - pozitiva in regiunea n si negativa in regiunea p), de grosime x_n+x_p,  care, pentru ca impiedica miscarea in continuare a purtatorilor, este numit si strat de baraj.

Ca urmare, apare un camp electric intern E_i orientat de la semiconductorul n catre semiconductorul p care se opune trecerii purtatorilor de sarcina majoritari (golurile din regiunea p si electronii din regiunea n) prin planul jonctiuni si o bariera de potential de contact U₀ intre cei doi semiconductori.

                                     (3.1)

- potentialele de difuzie a golurilor/electronilor

Nivelul limita Fermi reprezinta valoarea maxima a energiei pe care o poate poseda electronul in cristal (acest nivel este caracteristic oricarui material) sau se mai poate defini ca energia de care electronul dispune avand o probabilitate sa ajunga in banda de conductie de 50%.

Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis E_g are valori intre 0,2 si 2,3eV. Deci vor produce tranzitia electronului din banda de valenta in banda de conductie fotonii cu frecvente de cel putin [9]:

                                                (3.2)

h=6,626·10^-34 J·s - constanta lui Planck;

Intervalului energetic E_g=0,2 2,3 eV ii corespunde intervalul de lungimi de unda:

c=300000 km/s - viteza luminii in vid;

1eV=160,2177·10^-21 J.

deci fotonii din domeniul vizibil si infrarosu sunt cei ce determina tranzitia.

Fig. 3.7. Jonctiunea p-n

Pentru a afla conductivitatea unui semiconductor trebuie determinata densitatea de curent (intensitatea de curent raportata la unitatea de arie a sectiunii semiconductorului, orientata in sensul deplasarii golurilor) care rezulta in semiconductor datorita deplasarii purtatorilor mobili sub actiunea unui camp electric de intensitate .

Daca notam cu n₀ si p₀ concentratiile electronilor si golurilor in lipsa iluminarii si la echilibru termic, sub actiunea unui camp electric apar curenti de drift (de conductie) cu densitatile:

                               (3.3)

e=1,602·10^-19C - sarcina electronului ;

- viteza de drift (viteaza de antrenare), [m/s];

Tinand cont de legatura dintre vitezele si si mobilitatile m_n si m_p

                                                   (3.4)

se obtine:

                        (3.5)

Curentul de conductie este:

              (3.6)

- conductivitatea semiconductorului.

Daca in urma iluminarii concentratiile electronilor si golurilor se modifica cu Dn si Dp,  Dn = Dp, schimbarea conductivitatii va fi:

                           (3.7)

In relatia se mai sus s-a notat .

Miscarea generala a purtatorilor de sarcina in interiorul cristalului semiconductor se realizeaza datorita difuziei si campului electric.

In cazul unui semiconductor, atunci cand concentratiile n si p nu sunt omogene (semiconductor extrinsec), apare un curent de difuzie de electroni si un curent de difuzie de goluri.

Considerand vectorii densitate de curent se poate scrie:

                           (3.8)

D_n,  D_p - sunt coeficienti de difuziune care depind de mediu.

(3.9)

Din relatiile anterioare se deduce expresia curentilor totali asociati miscarilor de electroni si de goluri:

                     (3.10)

                 (3.11)

rezulta:

              (3.12)

Tinand cont ca: n = n₀ + Dn, p = p₀ + Dp si Dn = Dp , rezulta:

              (3.13)

3.3.1. Comportarea jonctiunii la lumina

Lumina este o radiatie electromagnetica, produsa sub forma de fotoni (particule materiale) si propagata sub forma de unde (dualism unda - corpuscul).

Atunci cand campul electric al undei de lumina vine in contact cu suprafata unui metal sau semiconductor, el exercita o forta asupra electronilor pe care ii scoate (extrage) din reteaua metalului (semiconductorului).

Energia cinetica a electronilor extrasi este independenta de intensitatea luminii, dar depinde de frecventa (creste cu frecventa). Cresterea intensitatii luminoase duce la cresterea numarului de electroni extrasi.

Albert Einstein (1905) - explica - un fascicul de lumina monocromatica este compus din cuante (portii) cu energia echivalate cu un flux de fotoni care au energia:

W_f= h∙υ                                                (3.14)

h=6,626·10^-34 J·s - constanta lui Planck;

n - frecventa radiatiei, [Hz].

Aceasta energie este cedata electronului aflat inca in retea. Pentru a scoate electronul din retea este necesar un lucru mecanic de extractie W_l, deci energia cinetica a electronului liber (extras) va fi:

W_c = h ∙ υ - W_l                                            (3.15)

W_l - depinde de natura materialului: metal, semiconductor si este independent de  frecventa.

Daca energia fotonului este suficient de mare, atunci in urma coliziunii fotonului cu un atom, electronul din banda de valenta va trece in banda de conductie, devenind liber, generand, totodata un gol in reteaua cristalului. Astfel, sub actiunea fotonilor are loc generarea de perechi electroni-goluri. Acest efect se mai numeste efect fotovoltaic intern.

Fotonul A are o frecventa mai mica si deci o energie mai mica, fotonul B are o frecventa mai mare (figura 3.8) si corespunzator o energie mai mare (unda electromagnetica cu frecventa mica patrunde in material la adancimi mai mari si invers) [1].

Purtatorii de sarcina noi aparuti sunt supusi actiunii campului electric (intern) al jonctiunii p-n caracterizat printr-o bariera de potential U₀. Aici regiunea spatiala a jonctiunii va avea rolul de separator de sarcini libere - perechi electroni-goluri.

Electronii vor fi dirijati spre zona n, golurile - spre zona p a celulei. Acesta este motivul pentru care sub influenta luminii zona p se incarca pozitiv, zona n se incarca negativ, ceea ce conduce la aparitia unui curent electric prin jonctiune I_s, determinat de conversia fotovoltaica a radiatiei solare.

Acest curent, circuland prin jonctiune dinspre zona n spre zona p duce la o cadere de tensiune U pe sarcina externa R. Tensiunea U in raport cu jonctiunea p-n actioneaza in sens direct si, la randul sau, va determina prin jonctiune un curent direct I_d de sens opus curentuluifotovoltaic I_s.

Fig. 3.8. Principiul de functionare al celulei fotovoltaice [14]

Curentul net prin jonctiune va fi dat de relatia curent-tensiune:

                             (3.16)

I₀ - intensitatea curentului de saturatie (este direct proportionala cu fluxul radiatiilor electromagnetice incidente, cand frecventa este constanta), [A];

U_T - tensiunea termica corespunzatoare temperaturii de functionare a jonctiunii ;

e - sarcina electronului, [C];

k=1,380658 · 10^-23 JK^-1 - constanta lui Boltzmann;

T - temperatura absoluta, [sC];

U - caderea de tensiune pe rezistenta exterioara, [V].