विषम फोटोवोल्टिक प्रभाव

विषम फोटोवोल्टिक प्रभाव (एपीई), जिसे कुछ स्थितियों में बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव भी कहा जाता है, एक प्रकार का फोटोवोल्टिक प्रभाव है जो कुछ अर्धचालको और इन्सुलेटरों में होता है। "विसंगतिपूर्ण" उन स्थितियों को संदर्भित करता है जहां फोटोवोल्टेज (अर्थात, प्रकाश के कारण होने वाला खुले-सर्किट वोल्टेज) संबंधित सेमीकंडक्टर के ऊर्जा अंतराल से बड़ा होता है। कुछ स्थितियों में, वोल्टेज हजारों वोल्ट तक पहुंच सकता है।

चूंकि वोल्टेज असामान्य रूप से अधिक है, शॉर्ट-सर्किट करंट असामान्य रूप से कम है। कुल मिलाकर, विषम फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रदर्शित करने वाली सामग्रियों में बहुत कम विद्युत् उत्पादन क्षमता होती है, और व्यावहारिक विद्युत् उत्पादन प्रणालियों में इसका कभी भी उपयोग नहीं किया जाता है।

ऐसी कई स्थितियाँ हैं जिनमें एपीई उत्पन्न हो सकता है।

सबसे पहले, पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री में, प्रत्येक सूक्ष्म कण फोटोवोल्टिक के रूप में कार्य कर सकता है। फिर कण श्रृंखला और समांतर सर्किट, यद्यपि नमूना भर में समग्र ओपन-सर्किट वोल्टेज बड़ा हो, संभवतः बैंडगैप से बहुत बड़ा हो।

दूसरा, इसी तरह से, कुछ फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री समानांतर फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन से युक्त पट्टियां विकसित कर सकती हैं, जहां प्रत्येक डोमेन फोटोवोल्टिक की तरह कार्य करता है और प्रत्येक डोमेन दीवार आसन्न फोटोवोल्टिक्स (या इसके विपरीत) को जोड़ने वाले संपर्क की तरह कार्य करती है। फिर से, डोमेन श्रृंखला में जुड़ते हैं, यद्यपि समग्र ओपन-सर्किट वोल्टेज बड़ा हो।

तीसरा, सेंट्रोसिमेट्री के साथ पूर्ण एकल क्रिस्टल गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक संरचना विशाल फोटोवोल्टेज विकसित कर सकती है। इसे विशेष रूप से बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव कहा जाता है, और गैर-सेंट्रोसिमेट्री के कारण होता है। विशेष रूप से, इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया-फोटो-उत्तेजना, बिखरने और विश्राम-विपरीत दिशा बनाम एक दिशा में इलेक्ट्रॉन गति के लिए अलग-अलग संभावनाओं के साथ होता है।

इतिहास
इस प्रभाव की खोज जेरज़ी स्टार्कीविक्ज़ एट अल ने की थी। 1946 में पीबीएस फिल्म्स पर और बाद में सिलिकॉन, जर्मेनियम, ZnTe और ईण्डीयुम (III) फास्फाइड, साथ ही कैडमियम टेल्यूराइड सहित अन्य सेमीकंडक्टिंग पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्मों के साथ  अनाकार सिलिकॉन फिल्मों पर देखा गया, और नैनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन प्रणाली में अवलोकन किए गए फोटोवोल्टेज सैकड़ों और कुछ स्थितियों में हजारों वोल्ट तक पहुंच गए। जिन फिल्मों में यह प्रभाव देखा गया था वे सामान्यतः पतली अर्धचालक फिल्में थीं जो वैक्यूम वाष्पीकरण (निक्षेपण) द्वारा गर्म इन्सुलेटिंग वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) पर जमा की जाती थीं, जो घटना वाष्प की दिशा के संबंध में कोण पर आयोजित होती थीं। चूंकि, फोटोवोल्टेज उन स्थितियों और प्रक्रियाओं के प्रति बहुत संवेदनशील पाया गया, जिन पर नमूने तैयार किए गए थे। इससे प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम प्राप्त करना कठिन हो गया, शायद यही कारण है कि अब तक इसके लिए कोई संतोषजनक प्रारूप स्वीकार नहीं किया गया है। चूंकि, कई मॉडलों को असाधारण घटना के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था और उन्हें संक्षेप में नीचे दिया गया है।

तिरछा जमाव फिल्मों में कई संरचना विषमता को जन्म दे सकता है। एपीई की व्याख्या करने के पहले प्रयासों में कुछ ऐसे थे जिन्होंने फिल्म को इकाई के रूप में माना, जैसे कि इसकी लंबाई के साथ नमूना मोटाई की भिन्नता पर विचार करना या इलेक्ट्रॉन ट्रैप का असमान वितरण। चूंकि, अध्ययन जो सामान्यतः समर्थित मॉडल का पालन करते हैं जो नेट फोटोवोल्टेज में योगात्मक रूप से योगदान करने वाले सूक्ष्म तत्वों की श्रृंखला के परिणामस्वरूप होने वाले प्रभाव की व्याख्या करते हैं। फोटोवोल्टेज की व्याख्या करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिक लोकप्रिय मॉडलों की समीक्षा नीचे की गई है।

फोटो-डेम्बर प्रभाव
जब फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉनों और छेदों में अलग-अलग इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है, तो सेमीकंडक्टर स्लैब के प्रबुद्ध और गैर-प्रबुद्ध चेहरों के बीच संभावित अंतर बनाया जा सकता है। सामान्यतः यह क्षमता स्लैब की गहराई के माध्यम से बनाई जाती है, चाहे वह बल्क सेमीकंडक्टर हो या पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्म। इन स्थितियों के बीच अंतर यह है कि बाद में, माइक्रोक्रिस्टलाइट्स में से प्रत्येक में फोटोवोल्टेज बनाया जा सकता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया था, तिरछी निक्षेपण प्रक्रिया में झुके हुए क्रिस्टल बनते हैं जिसमें चेहरा दूसरे की तुलना में प्रकाश को अधिक अवशोषित कर सकता है। इससे फिल्म के साथ-साथ इसकी गहराई के माध्यम से फोटोवोल्टेज उत्पन्न हो सकता है। क्रिस्टलीय की सतह पर आवेश वाहक के स्थानांतरण को विभिन्न गुणों वाली कुछ अनिर्दिष्ट परत की उपस्थिति से बाधित माना जाता है, इस प्रकार लगातार डेम्बर वोल्टेज को निरस्त करने से रोका जा रहा है। पीवी की ध्रुवता की व्याख्या करने के लिए जो रोशनी की दिशा से स्वतंत्र है, किसी को यह मान लेना चाहिए कि क्रिस्टलीय के विपरीत चेहरों पर वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन दरों में बड़ा अंतर उपस्थित है, जो इस मॉडल की कमजोरी है।

संरचना संक्रमण मॉडल
इस मॉडल से पता चलता है कि जब सामग्री घन क्रिस्टल प्रणाली और हेक्सागोनल क्रिस्टल प्रणाली संरचनाओं दोनों में क्रिस्टलीकृत होती है, तो दो संरचनाओं के बीच इंटरफेस में अवशिष्ट द्विध्रुव परत द्वारा असममित अवरोध बनाया जा सकता है। ऊर्जा अंतराल अंतर और इंटरफ़ेस पर उत्पन्न विद्युत क्षेत्रों के संयोजन के कारण संभावित अवरोध बनता है। किसी को यह याद रखना चाहिए कि इस मॉडल को केवल उन सामग्रियों में विषम पीवी प्रभाव की व्याख्या करने के लिए प्रयुक्त किया जा सकता है जो दो प्रकार की क्रिस्टल संरचना प्रदर्शित कर सकते हैं।

पी-एन जंक्शन मॉडल
यह स्टार्कीविक्ज़ द्वारा सुझाया गया था कि विषम पीवी को माइक्रोक्रिस्टलाइट्स के माध्यम से सकारात्मक और नकारात्मक अशुद्धता आयन के वितरण ढाल के कारण विकसित किया जाता है, जैसे कि गैर-शून्य कुल फोटोवोल्टेज देने के लिए। यह पी-एन जंक्शन की सरणी के बराबर है। चूंकि, तंत्र जिसके द्वारा ऐसे पी-एन जंक्शन बन सकते हैं, की व्याख्या नहीं की गई थी।

सतह फोटोवोल्टेज मॉडल
क्रिस्टलीय के बीच के अंतरपटल में आवेश वाहकों के लिए जाल हो सकते हैं। इससे क्रिस्टलीय में सतह आवेश और विपरीत अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र हो सकता है, अगर क्रिस्टल बहुत छोटे हैं। आनत स्फटिकों की प्रदीप्ति के अंतर्गत इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म उत्पन्न होते हैं और सतह में और क्रिस्टलीयों के अन्दर आवेश के मुआवजे का कारण बनते हैं। यदि यह माना जाता है कि ऑप्टिकल अवशोषण की गहराई क्रिस्टलीय में अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र की तुलना में बहुत कम है, तो उनके झुके हुए आकार के कारण एक पक्ष में दूसरे की तुलना में अधिक प्रकाश अवशोषित होता है। इस प्रकार दोनों पक्षों के बीच आवेश की कमी में अंतर उत्पन हो जाता है। इस तरह प्रत्येक क्रिस्टलीय में सतह के समानांतर फोटोवोल्टेज विकसित होता है।

एक गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक सिंगल क्रिस्टल में बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव
सेंट्रोसिमेट्री के साथ पूर्ण एकल क्रिस्टल गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक संरचना विशाल फोटोवोल्टेज विकसित कर सकती है। इसे विशेष रूप से बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव कहा जाता है, और गैर-सेंट्रोसिमेट्री के कारण होता है। फोटो-उत्तेजना, बिखरने और विश्राम जैसी इलेक्ट्रॉन प्रक्रियाएं दिशा बनाम विपरीत दिशा में चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए अलग-अलग संभावनाओं के साथ हो सकती हैं।

यह प्रभाव पहली बार 1960 के दशक में खोजा गया था। यह लिथियम निओबेट (LiNbO3), बेरियम टाइटेनेट (BaTiO3) और कई अन्य सामग्री। घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत या अन्य विधियों का उपयोग करके सैद्धांतिक गणना उस सीमा की भविष्यवाणी कर सकती है जिस तक सामग्री थोक फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रदर्शित करेगी।

सरल उदाहरण
दाईं ओर दिखाया गया सरल प्रणाली का उदाहरण है जो बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रदर्शित करेगा। प्रति यूनिट सेल में दो इलेक्ट्रॉनिक स्तर होते हैं, जो बड़े ऊर्जा अंतर से अलग होते हैं, 3 eV कहते हैं। नीले तीर रेडिएटिव संक्रमणों को इंगित करते हैं, अर्थात इलेक्ट्रॉन A से B तक जाने के लिए यूवी फोटोन को अवशोषित कर सकता है, या यह B से A तक जाने के लिए यूवी फोटॉन उत्सर्जित कर सकता है। बैंगनी तीर गैर-विकिरण संक्रमण का संकेत देते हैं, अर्थात इलेक्ट्रॉन B से जा सकता है। कई फोनन उत्सर्जित करके C तक जा सकते हैं, या कई फोनन को अवशोषित करके C से B तक जा सकते हैं।

जब प्रकाश चमक रहा होता है, तो इलेक्ट्रॉन कभी-कभी फोटॉन को अवशोषित करके और A से B से सी तक जाकर सही गति करेगा। चूंकि, यह लगभग कभी भी विपरीत दिशा में नहीं चलेगा, C से B से A तक, क्योंकि C से B में संक्रमण नहीं हो सकता है। फोटॉनों द्वारा उत्तेजित होना, लेकिन इसके अतिरिक्त अविश्वसनीय रूप से बड़े तापीय उतार-चढ़ाव की आवश्यकता होती है। इसलिए, शुद्ध दाहिनी ओर फोटो करंट है।

क्योंकि इलेक्ट्रॉन हर बार फोटॉन (औसतन) को अवशोषित करने के लिए बदलाव से निकलते हैं, इस फोटोक्रेक्ट को कभी-कभी शिफ्ट करंट कहा जाता है।

विशिष्ट विशेषताएं
बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव के कई पहलू हैं जो इसे अन्य प्रकार के प्रभावों से अलग करते हैं: I-V कर्व (खुला सर्किट और छोटा-सर्किट के बीच) के विद्युत् उत्पन करने वाले क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉन विपरीत दिशा में चल रहे हैं जिसकी आप अपेक्षा करते हैं बहाव-प्रसार समीकरण से, अर्थात इलेक्ट्रॉन उच्च फर्मी स्तर की ओर बढ़ रहे हैं या छेद निचले फर्मी स्तर की ओर बढ़ रहे हैं। यह असामान्य है: उदाहरण के लिए, सामान्य सिलिकॉन सौर सेल में, इलेक्ट्रॉन घटते इलेक्ट्रॉन-अर्ध-फर्मी स्तर की दिशा में चलते हैं, और छेद बढ़ते हुए छेद-अर्ध-फर्मी-स्तर की दिशा में चलते हैं, बहाव-प्रसार के अनुरूप समीकरण विद्युत उत्पादन केवल इसलिए संभव है क्योंकि अर्ध-फर्मी-स्तर विभाजित हैं। थोक फोटोवोल्टिक, इसके विपरीत, अर्ध-फर्मी-स्तरों के विभाजन के बिना विद्युत् उत्पन्न कर सकता है।

यह यह भी बताता है कि बड़े ओपन-सर्किट वोल्टेज केवल क्रिस्टल में क्यों दिखाई देते हैं (अंधेरे में) बहुत कम चालकता है: कोई भी इलेक्ट्रॉन जो स्वतंत्र रूप से क्रिस्टल के माध्यम से आगे बढ़ सकता है (अर्थात, फोटॉन को स्थानांतरित करने की आवश्यकता नहीं है) बहाव का पालन करेगा- प्रसार समीकरण, जिसका अर्थ है कि ये इलेक्ट्रॉन फोटोकरंट से घटेंगे और फोटोवोल्टिक प्रभाव को कम करेंगे।

हर बार इलेक्ट्रॉन फोटॉन को अवशोषित करता है (चतुर्थ वक्र के विद्युत् उत्पन करने वाले क्षेत्र में), परिणामी इलेक्ट्रॉन विस्थापन, औसतन, एक या दो इकाई कोशिकाओं या औसत-मुक्त-पथ पर होता है (इस विस्थापन को कभी-कभी अनिसोट्रॉपी कहा जाता है) दूरी )। यह आवश्यक है क्योंकि यदि इलेक्ट्रॉन मोबाइल, डेलोकलाइज्ड अवस्था में उत्तेजित होता है, और फिर यह कुछ समय के लिए फ़ैल जाता है, तो इसकी दिशा अब यादृच्छिक हो जाती है और यह स्वाभाविक रूप से बहाव-प्रसार समीकरण का पालन करना प्रारंभ कर देगा। चूंकि, बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव में, वांछित शुद्ध इलेक्ट्रॉन गति बहाव-प्रसार समीकरण द्वारा अनुमानित दिशा के विपरीत है।

उदाहरण के लिए, यह स्थिति हो सकता है कि जब इलेक्ट्रॉन फोटॉन को अवशोषित करता है, तो यह असमान रूप से उस स्थिति में समाप्त होने की संभावना है जहां यह बाईं ओर बढ़ रहा है। और शायद हर बार फोटॉन इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करता है, इलेक्ट्रॉन थोड़ा सा बाईं ओर जाता है और फिर तुरंत स्थिर स्थिति में आराम करता है (फंस जाता है) - जब तक कि यह एक और फोटॉन को अवशोषित नहीं करता है और चक्र दोहराता है। इस स्थिति में, विद्युत क्षेत्र द्वारा इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशा में धकेलने के अतिरिक्त बाईं ओर इलेक्ट्रॉन धारा संभव है। चूंकि, जब फोटॉन इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करता है, तो यह जल्दी से स्थिर अवस्था में वापस नहीं आता है, बल्कि इसके अतिरिक्त क्रिस्टल के चारों ओर घूमता रहता है और बेतरतीब ढंग से बिखरता रहता है, तब इलेक्ट्रॉन अंततः भूल जाएगा कि वह बाईं ओर घूम रहा था, और यह खींच लिया जाएगा। विद्युत क्षेत्र द्वारा दाईं ओर। फिर से, इलेक्ट्रॉन की कुल बाईं ओर की गति, प्रति फोटॉन अवशोषित, माध्य मुक्त पथ से बहुत बड़ी नहीं हो सकती।

परिणाम यह है कि मोटी डिवाइस की क्वांटम दक्षता बहुत कम है। इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में इलेक्ट्रॉन लाने के लिए लाखों फोटॉन की आवश्यकता हो सकती है। जैसे-जैसे मोटाई बढ़ती है, करंट उतना ही नीचे जाता है जितना वोल्टेज ऊपर जाता है।

कुछ स्थितियों में, प्रकाश ध्रुवीकरण के आधार पर करंट के अलग-अलग संकेत होते हैं। सिलिकॉन जैसे साधारण सौर सेल में ऐसा नहीं होगा।

अनुप्रयोग
माना जाता है कि बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव लिथियम नाइओबेट में फोटोरिफ्रेक्टिव प्रभाव में भूमिका निभाता है।

यह भी देखें

 * अर्धचालक
 * फोटोवोल्टिक प्रभाव
 * आभासी कण