پاورپوینت سلولهای خورشیدی مقدمه ای بر خواص اساسی نیمه رساناها (2)

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

سلولهای خورشیدی

مقدمه ای بر خواص اساسی نیمه رساناها (2)

اسلاید 2 :

کاربردهای فناوری نانو
انرژیهای نو
چهارم

اسلاید 3 :

ساختار نواری
در نیمهرساناها، در دمای صفر کلوین همه ترازهای انرژی در نوار ظرفیت بوسیله الکترونها اشغال شدهاند و در نوار رسانش، این ترازها خالی هستند.
در دماهای بالاتر، برخی از پیوندها با ارتعاشات گرمایی شکسته میشوند، زیرا گاف نواری در محدوده eV 3- 0/5 است. این منجر به خلق الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت میشود.
الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت میتوانند در رسانش سهم داشته باشند.
در مقابل، در یک عایق، گاف نواری به اندازهای بزرگ است که نوار رسانش حتی در دمای اتاق، خالی است.
در یک رسانا، نوار رسانش به طور جزئی بوسیله الکترونها پرشده یا با نوار ظرفیت همپوشانی دارد. در نتیجه، گاف نواری وجود ندارد و مقاومت بسیار کم است.

اسلاید 4 :

نیمهرساناهای ذاتی
هنگامیکه الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر ناخالصی در نیمهرسانا، بسیار کمتر از الکترونها و حفرههای تولید شده گرمایی باشد، آن را نیمه رسانای ذاتی مینامیم.
تعداد الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت در واحد حجم، به ترتیب با n و p نشان داده میشود و میتوان آنها را از چگالی حالتها و تابع توزیع بدست آورد:
E0: انرژی پایین نوار رسانش
Etop: انرژی بالای نوار رسانش
چگالی حالتها:
احتمال اشتغال یک تراز انرژی: توزیع فرمی-دیراک( )

اسلاید 5 :

با انجام محاسبات، مقدار n به صورت زیر به دست میآید:
نیمهرساناهای ذاتی
EF : انرژی فرمی
k: ثابت بولتزمن
T: دمای مطلق
mn : جرم مؤثر الکترون
h: ثابت پلانک
Nc : چگالی مؤثر حالتهای الکترونی در نوار رسانش
به طور مشابه، تعداد حفرهها در نوار ظرفیت بدست میآید(mp جرم مؤثر حفرهها و Nv چگالی مؤثر حفرهها در نوار ظرفیت خواهد بود). پس میتوان رابطه زیر را محاسبه کرد:
Eg : انرژی دو نوار ظرفیت و رسانش (گاف نواری)

اسلاید 6 :

برای نیمهرسانای ذاتی ایدهآل، در یک دمای متعادل، تعداد الکترونها در نوار رسانش برابر با تعداد حفرهها در نوار ظرفیت است، n=p=ni، که ni تراکم حامل ذاتی است. بنابراین میتوان انرژی فرمی نیمهرسانای ذاتی را محاسبه کرد:
نیمهرساناهای ذاتی
سطح فرمی به طور عام به عنوان انرژی بالاترین تراز اشغال شده بوسیله الکترونها تعریف میشود.
از آنجا که جمله دوم، بسیار کوچکتر از اولی است، سطح فرمی نزدیک به میانه گاف نواری قرار میگیرد.

اسلاید 7 :

هنگامیکه الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر ناخالصی غیر قابل چشمپوشی باشند، نیمهرسانا را غیر ذاتی مینامیم.
نیمهرساناهای غیرذاتی
هنگامیکه اتمهای گروه پنجم (مانند آرسنیک) به عنوان ناخالصی به ژرمانیم اضافه شوند، اتم آرسنیک با چهار اتم ژرمانیم مجاور خود پیوند کووالانسی تشکیل میدهد.
الکترون پنجم، پیوندی بسیار آزادانه با آرسنیک دارد و حتی در دمای اتاق یونیزه میشود، بنابراین یک الکترون رسانش با بار منفی محسوب میشود.

در این مورد،Ge نیمهرسانای نوع n و اتم آرسنیک، دهنده نامیده میشود.
دهنده، یک اتم ثابت با بار مثبت است.
هنگامیکه اتمهای گروه سوم (مانند آلومینیوم) به عنوان ناخالصی به Si اضافه شوند، پیوندهای کووالانسی که اتم آلومینیوم با چهار Si همسایه تشکیل میدهد، یک حفره رسانش با بار مثبت بوجود میآورد.
در این مورد Si نیمهرسانای نوعp و اتم آلومینیوم، پذیرنده نامیده میشود.
پذیرنده، یک اتم ثابت با بار منفی است.

اسلاید 8 :

تحت شرایط یونیزاسیون کامل، تراکم الکترون (حامل اکثریت) با n=ND، نشان داده میشود، که ND تراکم دهنده است.
از آنجا که معادله np=ni 2 برای نیمهرسانای غیر ذاتی در شرایط تعادل گرمایی معتبر است، تراکم حفره (حامل اقلیت) با p=ni 2/ND نشان داده میشود و سطح فرمی از رابطه زیر بدست میآید:
نیمهرساناهای غیرذاتی
در این مورد، سطح فرمی بوسیله تراکم دهنده‎ها کنترل میشود و نزدیک به انتهای نوار رسانش است.
به همین ترتیب در نیمهرسانای نوع p، تراکم الکترون (حامل اکثریت) با p=NA، نشان داده میشود، که NA تراکم دهنده است.
تراکم الکترون (حامل اقلیت) با n=ni 2/NA نشان داده میشود. سطح فرمی از رابطه زیر بدست میآید:
اینجا، سطح فرمی به بالای نوار ظرفیت جابهجا میشود.

اسلاید 9 :

ساختار نواری نیمهرساناهای ذاتی و غیرذاتی
نمایش نوار انرژی نیمهرسانای ذاتی
نمایش نوار انرژی نیمهرسانای غیرذاتی با دهندهها
نمایش نوار انرژی نیمهرسانای غیرذاتی با پذیرندهها

اسلاید 10 :

فرآیندهای جذب اپتیکی
فرض کنید یک نیمهرسانا در معرض نور خورشید واقع شود:
هنگامی که انرژی فوتون کوچکتر از گاف نواری نیمهرسانا باشد، نور از ماده عبور خواهد کرد و نیمهرسانا برای نور شفاف خواهد بود.
هنگامی که انرژی فوتون، بزرگتر از گاف نواری باشد، فوتون برخوردی به صورتهای گوناگون جذب خواهد شد.
احتمال جذب فوتونی با انرژی hυ، با ضریب جذب α تعیین میشود.

اسلاید 11 :

فرآیندهای جذب اپتیکی

فرآیند 1در شکل، مربوط به گذارهای الکترون (یا حفره) درون یک نوار، در نتیجه جذب انرژی فوتونی میباشد.

فرآیند 2 مربوط به جذب فونونی است. بدین معنی که نور با برانگیختن مدهای فونونی در ماده جذب میشود. الکترونها در این فرآیند درگیر نمیشوند.
به دلیل انرژیهای کمی که فونونها دارند، این فرآیند جذب در محدوده فروسرخ طیف نور رخ میدهد.

فرآیند 3 همه انواع گذار ناشی از جذب فوتون، بین ترازهای موجود در گاف نواری و همچنین بین ترازهای موجود در گاف و یک نوار را شامل میشود.

فرآیند 4 مربوط به جذب فوتون همراه با تولید اکسایتونها است.
جذب در مواد ارگانیک، از قبیل مولکولهای کوچک رنگها در سلولهای خورشیدی رنگدانهای و جاذبهای پلیمری در سلولهای خورشیدی ارگانیک، عموماً یک فرآیند اکسایتونی است.
همچنین در نانوذرات، اکسایتونها نقش کلیدی در جذب دارند.

فرآیند 5 مربوط به گذار بین دو نوار است .

فرآیند 6 در برخی از جامدات آمورف مشاهده میشود و احتمالاً ناشی از الکترونهایی است که از یک مکان جایگزیده به حالت جایگزیده دیگری میروند.

اسلاید 12 :

خواص موجی نور نیز در بحث سلولهای خورشیدی جالب توجه است.
تابشی با طول موج λ ممکن است در عبور از فصل مشترکها در یک سلول، متحمل بازتاب یا تداخل شود.
در ساختارهای کوچک پراکندگی نیز میتواند رخ دهد.
ساختارهایی در مقیاس نانومتر پدیده بازتاب را به صورت قابل توجهی نشان میدهند و با افزایش ابعاد تا اندازه میکرومتر، بازتاب از سلول کاهش یافته و گیراندازی نور به طور مؤثرتری صورت میگیرد.
فرآیندهای جذب اپتیکی

اسلاید 13 :

تفکیک حاملهای بار در نیمهرسانا
برای اینکه یک سلول خورشیدی کار کند، نیاز به حاملهای بار آزاد دارد.
با تابش نور، الکترونها به نوار رسانش برانگیخته میشوند و حفرههای متناظر، در نوار ظرفیت بوجود میآیند، که تفکیک اکسایتونها (جفتهای الکترون- حفره) نامیده میشود.
Valence Band
Conduction Band
Electron-hole
Pair

اسلاید 14 :

الکترونهای برانگیخته به حالت پایه خود برمیگردند، که این عمل به چند طریق میتواند صورت گیرد.
تفکیک حاملهای بار در نیمهرسانا
هنگامی که الکترون یک گذار از نوار رسانش به نوار ظرفیت انجام میدهد، یک جفت الکترون- حفره نابود میشود.
بازترکیب ممکن است با گسیل یک فوتون همراه باشد. این نوع بازترکیب، غیر تابشی گفته میشود.
بازترکیبهای غیر تابشی مانند بازترکیب اوژه نیز امکان پذیر هستند.
در شرایط تعادل گرمایی، آهنگ بازترکیب برای نیمهرسانای نوع n برابرβ nn0 pn0 است و با آهنگ تولید برابر میباشد.
βثابت تناسب و nn0 وpn0 به ترتیب تراکم الکترون و حفره در نیمهرسانای نوع n در شرایط تعادل گرمایی است.

اسلاید 15 :

هنگامی که حاملهای اضافی با تابش نور بوجود آمدند، آهنگ بازترکیب بهβnp افزایش مییابد زیرا بازترکیب متناسب با تعداد الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت است.
تفکیک حاملهای بار در نیمهرسانا
آهنگ بازترکیب خالص(در شرایط تزریق کم ) از رابطه زیر بدست میآید:
این بدین معنی است که آهنگ بازترکیب خالص متناسب با تراکم حامل اقلیت اضافی است.

اسلاید 16 :

تفکیک حاملهای بار در نیمهرسانا
، طول عمر حامل اقلیت (حفره) نامیده میشود.
طول عمر حامل اقلیت در نیمهرسانای نوع p (الکترون) به طور مشابه تعریف میشود.
برای یک نیمهرسانای نوع n، طول عمر حامل اقلیت، τp، و آهنگ بازترکیب خالص، U، با عبارات زیر داده میشود:
vth: سرعت گرمایی متوسط حفره
σp سطح مقطع گیراندازی دام حفره
از آنجا که نیمهرسانا به تندی پایان میپذیرد، قطع تابع پتانسیل دورهای منجر به حالتهای انرژی در گاف نواری، در سطح میشود.
این حالتهای سطحی، بازترکیب در نزدیک سطح را افزایش میدهند و با کاهش اندازه بلور اهمیت زیادی پیدا میکنند، زیرا تعداد حاملهایی که در سطح (به ازای واحد حجم) بازترکیب میشوند، افزایش مییابد.

اسلاید 17 :

برای نیمهرسانای نوع n، در شرایط تزریق کم، تعداد نهایی حاملهایی که در سطح بازترکیب میشوند، در واحد سطح در واحد زمان برابر است با:
تفکیک حاملهای بار در نیمهرسانا
هنگامیکه یک نیمهرسانای نوع n، به طور یکنواخت در معرض تابش نور قرار میگیرد تا حاملهای اضافی تولید شوند، گرادیان تراکم حفره، یک جریان پخش بوجود میآورد که با جریان بازترکیب سطحی برابر است:
S: سرعت بازترکیب سطحی
ps: تراکم حفره در سطح

اسلاید 18 :

معادله پیوستگی
برای استنتاج ارتباط بین پدیدههای جریان سوق، جریان پخش، تولید و بازترکیب (در یک بعد)، یک برش بسیار کوچک با ضخامت dx و مساحت A انتخاب کرده و فرض میکنیم در x، چگالی جریان الکترون Jn(x) است.
افزایش خالص الکترونها در واحد زمان در این حجم از جمع روی جریان خالص ورودی به آن و تولید حامل بدست میآید:
با استفاده از سری تیلور، معادله پیوستگی برای الکترونها در نیمهرسانای نوعp بدست میآید:
Gn : آهنگ تولید الکترون
Rn : آهنگهای بازترکیب الکترون

اسلاید 19 :

با استفاده از چگالی جریان کل، معادلات پیوستگی به صورت زیر بدست میآید:
معادله پیوستگی
میتوان به طور ساده، تراکم حامل اضافی حالت پایا را بدست آورد. فرض کنید که تولید اضافی درx=0 در یک نیمهرسانای نوع n رخ میدهد که همگن و نامحدود است، معادله پیوستگی هنگامیکه میدان الکتریکی صفر باشد، از رابطه زیر بدست میآید:

اسلاید 20 :

از آنجا که تراکم حامل بار بایستی بتدریج کاهش یابد، جواب نهایی معادله آخر، برابر است با:
معادله پیوستگی
Lp : طول پخش حفرهها
∆p(0) : تراکم حامل اضافی
طول پخش فاصله متوسطی است که یک حامل اقلیت میتواند، بدون بازترکیب، پخش شود.