4-2- اثر فوتوولتایی:
پدیده تبدیل پرتو نوری به انرژی الکتریکی، اثر فوتوولتایی، PV، نامیده می‌شود. دو قطعه مهم که بر اساس اثر فوتوولتایی کار می‌کنند، سلول خورشیدی و آشکارساز نوری می‌باشند. هنگامی که یک فوتون با انرژی hν ( ثابت پلانک h و فرکانس نور ν است) که بزرگتر یا مساوی با گاف نواری Eg است، با یک نیمه رسانا برخورد می‌کند، جذب نور و در نتیجه تولید یک جفت الکترون-حفره (EHP) می‌تواند رخ دهد(شکل3). به عبارت دیگر، به منظور تولید جفت‌ها در یک نیمه رسانای خاص، طول موج تابش برخوردی، باید کمتر از یک مقدار ویژه به نام طول موج قطع (Cutoff wavelength ) یا λc ، برای آن ماده باشد. همچنین، توانایی مواد برای جذب نور، به پارامتر دیگری به نام ضریب جذب ( Absorption coefficient) یا α وابسته است. α واحد عکس طول دارد، به طوری که [SUP]
1-[/SUP]
αطول جذب مؤثر، نامیده می‌شود و اندازه‌ای از ضخامت ماده است که در آن فوتون برخوردی بوسیله نیمهرسانا جذب می‌شود. در واقع کسری از تابش برخوردی که در فاصله x از سطح جذب می‌شوند، با[1+(exp(-αx-] داده می‌شود. اگر α بزرگتر شود، مقدار بیشتری از تابش برخوردی در فاصله x جذب می‌شود. برای نیمه رساناهای با گاف نواری غیرمستقیم، مقدارα ، در یک انرژی فوتونی خاص(معمولاً برای مواد با Eg بزرگتر)، کمتر از نیمه‌رساناهایی با گاف نواری مستقیم است. این نشان می‌دهد، در یک انرژی فوتونی داده شده، برای جذب نور لایه نازک‌تری از نیمه‌رسانای مستقیم، مانند ZnO ، نسبت به نیمه‌رسانای غیرمستقیم، مانند Si لازم است [8 و6-5].
شکل3- جذب اپتیکی در نیمهرسانا [5].
5-2- بازترکیب (Recombination):
هنگامیکه نیمهرسانا در معرض منبع نور قرار می‌گیرد با تولید جفت الکترون-حفره، خاصیت رسانایی آن افزایش می‌یابد. این پدیده اثر فوتورسانایی (Photoconductive Effect ) نامیده می‌شود. حامل‌های بار اضافی تولید شده در نیمهرسانا، پس از خاموش شدن منبع نور، نابود می‌شوند. این فرآیند بازترکیب نامیده می‌شود. در جامدات حجیم، پدیده بازترکیب به صورت بازترکیب مستقیم، غیرمستقیم (از طریق ترازهای انرژی جایگزیده در گاف انرژی ممنوع) و بازترکیب اوژه (Photoconductive Effect ) انجام می‌شود. بازترکیب مستقیم معمولاً در نیمه‌رسانای مستقیم غالب است [5]. در یک نیمه رسانای مستقیم، هنگامی که یک الکترون از نوار رسانش سقوط می‌کند تا یک جای خالی در نوار ظرفیت را پر کند، انرژی به صورت یک فوتون نوری باز پس داده می‌شود. در حالی‌که در مورد نیمه‌رسانای غیرمستقیم، این نوع عبور، علاوه بر تغییر در انرژی، شامل تغییری در اندازه حرکت می‌باشد و اختلاف انرژی، به جای یک فوتون نوری، معمولاً به صورت گرما به شبکه بلوری داده می‌شود. بنابراین قطعات گسیل نوری عموماً از نیمهرساناهای مستقیم ساخته می‌شوند [7]. همچنین، بازترکیب اوژه هنگامی رخ می‌دهد که یک الکترون انرژی اضافی خود را به الکترونی دیگر در نوار رسانش یا ظرفیت می‌دهد که منجر به برانگیخته شدن الکترون به سطح بالاتری از انرژی می‌شود. فرآیند اوژه هنگامیکه تراکم حامل زیاد باشد، اهمیت پیدا می‌کند؛ بویژه در نیمه‌رساناهایی با گاف نواری کوچک [5].
3- بحث و نتیجه‌گیری:
انرژی خورشیدی از جمله منابع تجدید پذیر انرژی است که در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی مؤثر خواهد بود. شناخت نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی نیازمند درک اصول حاکم بر رفتار نیمه‌رساناها می‌باشد. دو نوار متمایز انرژی الکترونی(نوار رسانش و نوار ظرفیت) و تحرک الکترون‌ها بین آنها، منشأ بسیاری از خواص نیمه‌رساناها می‌باشد. هنگامی که نیمهرسانا در معرض نور قرار می‌گیرد، حامل‌های بار اضافی در آن تولید می‌شود. بازده یک سلول وابسته به تولید و جدایی حامل‌های بار است. از این رو، شناخت عوامل مؤثر در تولید، تفکیک و نیز بازترکیب حامل‌ها حائز اهمیت است.
1. Hochbaum, I.Allon, Yang, Peidong, “Semiconductor Nanowires for Energy Conversion” Chem. Rev. 2010, 110, 527–546, (2010).
2. Wang, Yanqi, “Arrays of ZnO Nanowire for Photovoltaic Devices”, Dessertation Submitted for PhD Degree, City University of Hong Cong, (2009).
3. Mims III, Forrest M., “Solar Cell Projects”, Radio Shack Engineer’s Mini Notebook, First Printing, USA, (1999).
4. Fraas, Lewis, Partain, Larry, “Solar Cells and Their Applications”, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., (2010).
5. Soga, T., (editor), “Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion” (Fundamentals of Solar Cell), Elsevier, (2006).
6. Dasgupta, N., Dasgupta A., “Semiconductor Devices, Modelling and Technology”, Prentic Hall of India, New Delhi, (2007).
7. Wurfel, Peter, “Physics of Solar Cell From Prenciples to New Concepts”, John Wiley & Sons, Inc., (2005).
8. Fonash, J. Stephen, “Solar Cell Device Physics”, Second Edition, USA, Elsevier Inc., (2010).
