اثر فوتوفولطي

Photovoltaic effect - Effet photovoltaïque

الأثر الفوتوڤولطي

 سهام طرابيشي

توليد أزواج الإلكترونات والثقوب

فصل الإلكترونات عن الثقوب

تطبيقات الأثر الفوتوڤولطي

يمثل الأثر الفوتوڤولطي   photovoltaic effectأحد أشكال تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، ويجري على مرحلتين: الأولى التوليد بالضوء لأزواج الإلكترونات - الثقوب، والثانية فصل الإلكترونات عن الثقوب بوساطة وصلة ثنائية.

توليد أزواج الإلكترونات والثقوب

يجري توليد أزواج الإلكترونات والثقوب في شريحة نصف ناقلة   semiconductor(جسمية ثلاثية الأبعاد أو على شكل  غشاء رقيق) لدى سقوط الضوء عليها (الشكل1) إما بالانتقالات عصابة - عصابة، وإما بانتقالات تتضمن المستَوَيات الطاقية في العصابة الممنوعة gap، E_g=E_c- E_v  ، لنصف الناقل، أي عصابة-مستوى (الشكل2 )؛حيث تمثل  E_c  و E_v طاقتي حافتي عصابة النقل وعصابة التكافؤ وطاقة الفوتون هي   h_v. يعطى طول موجة القطع  _cاl  لتي تعيّن بدء الامتصاص cut-off wavelength؛ المقابل للعصابة الممنوعة  لنصف الناقل بالعلاقة:

                                               

الشكل (2) عمليات الإثارة الضوئية الذاتية ( عصابة إلى عصابة ) و غير ذاتية	الشكل (1) شكل تخطيطي لناقل ضوئي يتكون من شريحة نصف ناقلة و تماسين أوميين عند طرفيها

  حيث يمتص نصف الناقل الإشعاع الوارد عندما يكون طول موجته أقصرl_c من فتتولد فيه أزواج الإلكترونات الثقوب. يمكن أن تحدث الإثارة الفوتونية في حالة نصف ناقل مشوب بين حافة العصابة ومستوى طاقي فيها، ويمكن أن تحدث الناقلية الضوئية بامتصاص فوتونات طاقاتها تساوي أو أعلى من الفاصل الطاقي بين المستوَيات الطاقية في العصابة الممنوعة وعصابة النقل أو عصابة التكافؤ. يتعين طول موجة القطع في هذه الحالة (حالة عصابة - مستوى) بعمق مستوى الطاقة في العصابة الممنوعة.

ويقاس مردود توليد الأزواج في نصف ناقل بدلالة ثلاثة وسطاء (برامترات): المردود الكمومي أو الربح (أي عدد حاملات الشحنة المتولدة من كل فوتون)، وزمن الاستجابة وحساسيته التي تتعلق بكل من طول موجة الإشعاع وتواتر تكييفه ودرجة حرارة الجسم الأسود الذي يمثله الإشعاع.

فصل الإلكترونات عن الثقوب

يجري فصل الإلكترونات عن الثقوب باستعمال ثنائي  np مكون من التحام junction شريحتين نصف ناقلتين إحداهما من النوع n والأخرى من النوع p. حيث ينشأ- في منطقة التحام الشريحتين عند الوصلة التي تخلو من حاملات carriers الشحنة المتحركة - حقلٌ كهربائي شديد من شأنه أن يفصل بين الإلكترونات والثقوب المتولدة ضوئياً. ولكي يكون عمل الثنائي عالي السرعة يجب أن تكون المنطقة المفرّغة رقيقة، ولزيادة المردود الكمومي من جهة أخرى يجب أن تكون المنطقة المفرّغة ثخينة إلى حد يسمح بامتصاص جزء كبير من الضوء الوارد، ومن ثم لا بدّ من إيجاد تسوية بين سرعة الاستجابة والمردود الكمومي.

تطبيقات الأثر الفوتوڤولطي

في خلية شمسية  p - n الشكل (3) مخطط العصابات الطاقية لوصلة

الشكل (4) الدارة المكافئة المثالية لخلية شمسية

إن ما يحدث بجوار الوصلة وتفسيره هو ما يعرف بالأثر الفوتوڤولطي، وهو كما ذُكِر سابقاً يجري على مرحلتين، ومن أهم تطبيقاته الخلية الشمسية. والخلية الشمسية التقليدية

هي وصلة p - n   ، تتميز بعصابة ممنوعة وحيدة E_g، وبسبب اختلاف أُشابات نصف الناقل بين طرفي الوصلة ينشأ بين الطرفين فرق كمون ذاتي يقوم بعملية فصل الإلكترونات والثقوب المتولّدة لدى تعرض الخلية لضوء الشمس. وإذا ما أغلقت الدارة خارجياً يمر تيار كهربائي فيها تتحدّد قيمته بمقدار تدفق الفوتونات الضوئية القادرة على التوليد. من جهة ثانية عندما تتعرض الخلية لطيف الشمس لا يسهم في خَرْجها إلاّ الفوتونات التي تساوي طاقتها طاقة العصابة الممنوعة E_g أو تزيد عليها؛ إذ يضيع الفائض عن ذلك على شكل حرارة. يظهر في الشكل (3) مخطط عصابات الطاقة في الوصلة p - n  التي تخضع للإشعاع الشمسي، وفيها  V_oc فرق الكمون الذاتي و  q شحنة الحامل الكهربائية.

يبيّن الشكل (4) الدارة المكافئة للخلية الشمسية والتي تتضمن منبعاً ثابتاً للتيار على التوازي مع الوصلة. ينتج المنبع تياراً I_L  ناجماً عن إثارة مزيد من حاملات الشحنة المتحركة بإشعاع الشمس؛ في حين يمثل I_S تيار إشباع الثنائي (العكسي) الذي تتحكم فيه حاملات الشحنة الأقلية في نصفي الناقل إلى جانبي الوصلة، ويقابل احتمال اتحاد الإلكترونات والثقوب ضمن الوصلة فلا تساهم في التيار الخارجي، و R_L مقاومة الحمولة الممثلة لمقاومة الدارة الخارجية.

يُعطى المنحني المميز(I(V  لمثل هذه الخلية بالعلاقة:

                                                       

وفيها k ثابتة بولتزمان و T درجة الحرارة المطلقة . يبيّن الشكل (5) رسماً للمنحني المميز في الحالة التي يكون فيها I_L = 100 mA  وفي درجة الحرارة العادية، حيث يمر المنحني من خلال الربع الرابع، لذا يمكن استخلاص استطاعة الخلية منه. ويمكن باختيار قيمة مناسبة للحمولة استخلاص ما يقارب ثمانين بالمئة من الجداء I_SC V_OC، حيث  I_SC تيار دارة الخلية المقصورة (المغلقة من دون حمولة) وV_OC كمون دارتها المفتوحة؛ وتمثل المنطقة المظللة في الشكل مستطيل الاستطاعة العظمى، ويمثّل المنحني I - V عادة مقلوباً كما في الشكل (6)

الشكل (5) قلاب المنحني J5 بالنسبة إلى محور الكمون	في خلية شمسيةp - n الشكل (5) مخطط العصابات الطاقية لوصلة

تعدّ الخلايا الشمسية حالياً أهم منابع التغذية الطويلة الأمد للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، كما تستعمل الآن بنجاح في التطبيقات الأرضية. يلي هذه التطبيقات أهمية - من حيث تطبيق الأثر الفوتوڤولطي - الثنائيات الضوئية (الفوتوديودات)  التي تستطيع إصدار الضوء عندما يطبق فرق كمون خارجي على الوصلة فتتحرّك الإلكترونات والثقوب بعضها باتجاه بعض لتتحد عند الوصلة مصدرة ضوءاً يمكن التحكّم بلونه.

مراجع للاستزادة: -S. M. Sze, Physics Of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, Us 1981.

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الأول - رقم الصفحة ضمن المجلد : 232 مشاركة :