Двухфотонный фотоэлектрический эффект ( эффект TPP) - это метод сбора энергии, основанный на двухфотонном поглощении (TPA). Эффект TPP можно рассматривать как нелинейный эквивалент традиционного фотоэлектрического эффекта с высокой оптической интенсивностью. Этот эффект возникает, когда два фотона поглощаются одновременно, в результате образуется электронно-дырочная пара .
Задний план
TPA обычно на несколько порядков слабее линейного поглощения при низкой интенсивности света. Он отличается от линейного поглощения тем, что скорость оптического перехода из-за TPA зависит от квадрата интенсивности света, таким образом, это нелинейный оптический процесс, который может преобладать над линейным поглощением при высоких интенсивностях. Следовательно, рассеяние мощности от TPA и возникающее в результате рассеяние свободных носителей является вредной проблемой для полупроводниковых устройств, которые работают на основе нелинейных оптических взаимодействий, таких как эффекты Керра и Рамана , при работе с высокими интенсивностями. Эффект ТЭС исследуется как возможное решение этого двойного кризиса энергоэффективности.
Хотя некоторые улучшения и теоретические исследования в этой области были сделаны в прошлом, конкретное применение эффекта было впервые численно и экспериментально проанализировано Бахрамом Джалали и его коллегами в 2006 году в Silicon . [1]
Физика
Устройства с эффектом TPP основаны на волноводах с боковыми диодами на p – n-переходе , в которых мощность накачки нелинейно теряется из-за TPA и поглощения свободных носителей (FCA) вдоль z-направления, перпендикулярного поперечному сечению xy перехода.
Связанная оптическая интенсивность определяется следующим уравнением:
( 1 )
где:
- α - коэффициент линейного поглощения;
- β коэффициент TPA;
- и α FCA называется коэффициентом FCA, который определяется выражением Сорефа.
Скорость фотогенерации носителей определяется:
где E p - энергия фотона, а множитель Это связано с тем, что в процессе участвуют два фотона.
Фототок на единицу длины: , где - эффективная площадь волновода, q - заряд электрона. Для волновода длиной L имеем
Мы определяем как интенсивность связанной накачки при . Таким образом, получаем следующее выражение:
( 2 )
Это последнее выражение называется эффективной длиной, которая нелинейно эквивалентна длине взаимодействия, определенной в оптических волокнах . Также необходимо учитывать вклад в инжекцию носителей и рекомбинацию в общий ток, чтобы полный ток фотодиода выражался как: [2]
( 3 )
Уравнение Шокли дает ВАХ идеализированного диода: [3]
( 4 )
Значение называется током насыщения обратного смещения и определяется следующим образом: [3]
где h и L определены на рис. 1, а остальные параметры имеют обычное значение, определенное в справочнике Sze's Physics of полупроводниковых устройств . [3]
Уравнение Шокли справедливо, поскольку фотогенерация в областях, легированных N и P, в p − n-диоде незначительна. Это контрастирует с традиционной теорией солнечных элементов, где фотогенерация преимущественно происходит в областях, легированных азотом и фосфором [4], как показано на рис. 2.
Из-за структуры PIN (рисунок 2) мы должны принять во внимание рекомбинационный ток, который мы аппроксимируем рекомбинацией Шокли – Рида – Холла, который определяется как:
( 5 )
где определено на рисунке 1, - эффективная плотность носителей вдоль а также а также - времена жизни объемной рекомбинации электронов и дырок соответственно.
В схеме рассеяние мощности относится к скорости потери энергии из-за резистивных элементов и традиционно определяется следующим образом:
( 6 )
Теперь мы определяем эффективность сбора, то есть количество носителей / фотонов, потребляемых TPA: [4]
( 7 )
Это подходит для таких устройств, как усилители и преобразователи длины волны, где сбор энергии является полезным побочным продуктом, но не основной функцией самого устройства. Если эффект TPP предназначен для использования в фотоэлектрических элементах, то энергоэффективность следует считать.
Во-первых, внешняя квантовая эффективность определяется выражением , где относится к эффективности связи света в волноводе и
что может быть приближено к:
Наконец, энергоэффективность определяется по формуле:
( 8 )
Промежуточная полоса
Обычные солнечные элементы основаны на однофотонных переходах между валентной (VB) и зоной проводимости (CB) полупроводника . Использование промежуточного состояния в запрещенной зоне было впервые описано Луком и Марти в 1997 году. [5] Они показали, что с добавлением промежуточного уровня к зонной диаграмме солнечного элемента теоретический предел эффективности может быть значительно улучшен. за пределами модели Шокли-Кайссера [6] . Это улучшение возможно за счет захвата фотонов подзонной зоны. Наличие промежуточной полосы позволит поглощать такие фотоны, приводя к генерации электронно-дырочных пар, добавляя к парам, создаваемым прямыми оптическими переходами. При двух независимых электронных возбуждениях фотоны поглощаются переходами из валентной (VB) в промежуточную зону (IB) и из промежуточной (IB) в зону проводимости (VB). Для достижения оптимальных результатов любые устройства и процессы считаются идеальными, поскольку связанные с ними условия включают бесконечную подвижность носителей , полное поглощение желаемых фотонов, частичное заполнение IB для передачи и приема электронов и отсутствие возможности извлечения тока из IB. . В рамках этого расчета предельная эффективность солнечного элемента с промежуточной полосой пропускания (IBSC) составила 63,1%.
Наличие промежуточной полосы может быть результатом нескольких методов, но, прежде всего, из-за введения примесей в кристаллическую структуру. Известно, что множественные редкоземельные элементы таким образом создают необходимые состояния между зонами в полупроводниковом материале. Увеличение концентрации таких примесей приводит к возможности формирования промежуточной полосы, как это продемонстрировано в сплавах GaAs. Интересной альтернативой является использование технологии квантовых точек . Солнечный элемент может быть спроектирован так, чтобы включать в себя область структуры квантовых точек, которая вызывает желаемое ограниченное состояние. В 2001 году Марти и др. предложили реальный метод выполнения условия наполовину заполненной полосы. [7] Все еще ведутся активные исследования того, какие материалы демонстрируют такие желаемые характеристики, а также синтез таких материалов.
Эффективность основных принципов работы устройства IBSC была впервые доказана при создании фототока Martí et al. в 2006 году. [8]
Материалы
Полупроводниковые материалы настолько актуальны из-за того, что их проводящие свойства можно изменить полезными способами путем введения примесей («легирования») в кристаллическую структуру. Там, где в одном кристалле существуют две различные легированные области, создается полупроводниковый переход. Развитие этих переходов лежит в основе диодов, транзисторов и всей современной электроники. Примеры полупроводников - кремний, германий, арсенид галлия. После кремния арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником. [3]
Кремний (Si)
Кремниевая фотоника широко изучалась с момента пионерских работ Сорефа и Петерманна в конце 1980-х - начале 1990-х годов [9] из-за желания создать недорогие фотонные устройства, используя преимущества мощной инфраструктуры производства кремния. Кремниевые пластины имеют самую низкую стоимость (на единицу площади) и самое высокое качество кристаллов среди всех полупроводниковых материалов.
Однако аргументы в пользу кремниевой фотоники еще сильнее. Кремний обладает превосходными свойствами материала, которые важны для фотонных устройств: [2]
- высокая теплопроводность (в ~ 10 раз выше, чем у GaAs),
- высокий порог оптического повреждения (∼10 раз выше, чем у GaAs),
- высокие оптические нелинейности третьего порядка
Последний пункт действительно важен для изучения эффекта TPP. Высокий контраст показателей между кремнием (n = 3,45) и SiO2 (n = 1,45) позволяет масштабировать фотонные устройства до уровня сотен нанометров. Такие поперечные и вертикальные размеры необходимы для полной совместимости с обработкой IC. Кроме того, высокая оптическая интенсивность, обусловленная большим контрастом показателя преломления (между Si и SiO2), позволяет наблюдать нелинейные оптические взаимодействия, такие как эффекты Рамана и Керра, в устройствах масштаба кристалла. [2]
По этим причинам кремний обычно используется в качестве материала для обычного фотоэлектрического эффекта. Из-за предела Шокли – Кайссера [6] известно, что максимальная эффективность преобразования солнечной энергии фотоэлектрического элемента с одним pn-переходом составляет около 33,7% для ширины запрещенной зоны 1,34 эВ. Однако кремний имеет ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, что соответствует эффективности 32%.
Однако для эффекта TPP результаты эффективности сбора, определенные в (7), показаны на рис. 4 как функция напряжения при различной интенсивности накачки. [1]
На рис. 4 показано хорошее совпадение экспериментальных, аналитических и смоделированных моделей. Можно провести интерполяцию данных, чтобы показать эффективность сбора около 43% дляв насосах low high, что действительно приближается к теоретическому пределу, установленному в 50%. Однако это не совсем то же самое при высокой интенсивности накачки. Этот предел эффективности сбора приводит к относительно низкой собственной эффективности около 5,5%.
Любые мыслимые средства, которые улучшают бета-коэффициент, могут повысить энергоэффективность настоящего подхода, а FCA ниже на более коротких длинах волн, увеличивая . Комбинирование этих двух эффектов может привести к более высокому пределу прогнозируемого эффекта TPP.
Арсенид галлия (GaAs)
Арсенид галлия (GaAs) - важный полупроводниковый материал для дорогостоящих и высокоэффективных солнечных элементов, который используется в монокристаллических тонкопленочных солнечных элементах, а также в многопереходных солнечных элементах.
Каждые два фотона, потерянные для TPA, генерируют одну электронно-дырочную пару в полупроводниковом материале, и эти фотогенерированные носители доступны для фотоэлектрического преобразования в электрическую энергию, как показано на рисунке 5 для двух конкретных длин волн ().
TPA экспериментально наблюдалась в арсениде галлия (GaAs), и его коэффициент β, рассчитанный в GaAs при 1,3 мкм, составляет 42,5 см / ГВт (намного выше, чем у кремния: 3,3 см / ГВт). Кроме того, при длине волны связи 1,55 мкм β составляет около 15 см / ГВт в GaAs по сравнению с 0,7 см / ГВт в кремнии. Таким образом, ожидается, что эффект TPP будет сильнее в GaAs. [10]
Чтобы получить экспериментальные данные для сравнения с теоретическим анализом, на рисунке 6 показано, как TPP может быть реализован в одномодовом волноводе GaAs / AlGaAs с использованием диода с точечным переходом .
В этом режиме учитывается рекомбинация Шокли – Рида – Холла, l предполагая, что уровень энергии ловушки расположен в середине запрещенной зоны. Время жизни объемной рекомбинации электронов и дырок, а также в объемном GaAs порядка 10-8 с, что примерно на 2 порядка меньше, чем в объемном кремнии. Поверхностная рекомбинация снижает энергетическую эффективность эффекта TPP, поскольку электроны и дырки рекомбинируют, прежде чем они собираются на контактах.
Эффект TPP более эффективен на длине волны 976 нм из-за большего β. Для устройства длиной 5 см и мощностью 150 мВт теоретически прогнозируется КПД до 8%, что выше, чем достижимый в кремнии. [10]
Возможные приложения
Потенциальное применение двухфотонного фотоэлектрического эффекта - удаленная подача энергии к физическим датчикам, установленным в критических средах, где электрические искры опасны и необходимо избегать использования медных кабелей.
Рекомендации
- ^ а б Джалали, Бахрам; Фатпур, Сасан (декабрь 2006 г.). «Кремниевая фотоника». Журнал Lightwave Technology . 24 (12): 4600–4615. Bibcode : 2006JLwT ... 24.4600J . DOI : 10,1109 / jlt.2006.885782 . ISSN 0733-8724 .
- ^ а б в Фатпур, Сасан; Циа, Кевин К .; Джалали, Бахрам (декабрь 2007 г.). «Двухфотонный фотоэлектрический эффект в кремнии». Журнал IEEE по квантовой электронике . 43 (12): 1211–1217. Bibcode : 2007IJQE ... 43.1211F . DOI : 10,1109 / jqe.2007.907545 . ISSN 0018-9197 .
- ^ а б в г Зе, С.М., 1936- (2007). Физика полупроводниковых приборов . Ng, Kwok Kwok, 1952- (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC 74680973 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б Хряччев, Леонид, изд. (2008). Нанофотоника кремния - основные принципы, современное состояние и перспективы . DOI : 10,1142 / 9789814241137 . ISBN 9789814241137.
- ^ Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997-06-30). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов с помощью фотонно-индуцированных переходов на промежуточных уровнях». Письма с физическим обзором . 78 (26): 5014–5017. Bibcode : 1997PhRvL..78.5014L . DOI : 10.1103 / physrevlett.78.5014 . ISSN 0031-9007 .
- ^ а б Шокли, Уильям; Кайссер, Ханс Дж. (Март 1961 г.). «Подробный предел баланса эффективности солнечных элементов p-n-перехода». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510–519. Bibcode : 1961JAP .... 32..510S . DOI : 10.1063 / 1.1736034 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Марти, А .; Cuadra, L .; Луке, А. (2001). «Частичное заполнение промежуточной зоны квантовой точки для солнечных элементов». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 48 (10): 2394–2399. Bibcode : 2001ITED ... 48.2394M . DOI : 10.1109 / 16.954482 . ISSN 0018-9383 .
- ^ Martí, A .; Antolín, E .; Стэнли, CR; Фермер, компакт-диск; López, N .; Díaz, P .; Cánovas, E .; Linares, PG; Луке, А. (13 декабря 2006 г.). «Производство фототока из-за переходов из промежуточной зоны в зону проводимости: демонстрация ключевого принципа работы солнечного элемента с промежуточной зоной». Письма с физическим обзором . 97 (24): 247701. Bibcode : 2006PhRvL..97x7701M . DOI : 10.1103 / physrevlett.97.247701 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Рикман, Эндрю (31.07.2014). «Коммерциализация кремниевой фотоники». Природа Фотоника . 8 (8): 579–582. Bibcode : 2014NaPho ... 8..579R . DOI : 10.1038 / nphoton.2014.175 . ISSN 1749-4885 .
- ^ а б Ма, Дзичи; Чили, Джефф; Sharma, Yagya D .; Кришна, Санджай; Фатпур, Сасан (2014). «Двухфотонный фотоэлектрический эффект в арсениде галлия». Клео: 2014 . Вашингтон, округ Колумбия: OSA. 39 (18): JTh2A.66. Bibcode : 2014OptL ... 39,5297M . DOI : 10,1364 / cleo_at.2014.jth2a.66 . ISBN 978-1-55752-999-2.