Warum können Solarzellen aus indirekten und direkten Halbleitern bestehen? (Vergleich zwischen einigen pn-Übergangsgeräten)

Verschiedene Lehrbücher erwähnen, gehen aber nicht ins Detail, wie Halbleiterbauelemente für ihre spezielle Funktion optimiert werden. Der Ek-Raum ist transzendental, um dies zu verstehen, da er von der direkten und indirekten Natur des Halbleiters abhängt. Allerdings bin ich in Bezug auf diesen Teil verwirrt. Ich interessiere mich besonders für optoelektronische Bauelemente (Fotodiode, LED, Solarzelle und Halbleiterlaser). LEDs bestehen aus direkten Halbleitern, da eine Elektronen-Loch-Rekombination ohne Beteiligung von Phononen auftreten kann. Solarzellen können aus beidem bestehen. In Solarzellen wollen Sie keine Art von Rekombination. Welche Rolle spielt dabei die Direktheit oder Indirektheit des Materials?

Wäre Elektrotechnik ein besseres Zuhause für diese Frage?
Mir ist unklar, wonach genau gefragt wird. Da der Ek-Raum erwähnt wurde, bin ich mir nicht sicher, ob dies eine Gerätefrage ist, aber welche physikalische Erleuchtung gewünscht wird, ist nicht klar.
@JonCuster: zB aus welchen Gründen wird ein bestimmtes Material für ein bestimmtes Gerät gewählt. Es hat im Grunde mit Rekombination zu tun. Eine LED sollte viel Strahlungsrekombination haben und nicht die anderen Typen. In einem Solar möchten Sie keine Art von Rekombination. Wie schaffen Sie das? Ich weiß, dass Siliziumzellen sehr dick sind, weil das Material indirekt ist (reduzierter Absorptionskoeffizient aufgrund der Beteiligung von Phononen an der Erzeugung von eh-Paaren). Aber würde das nicht auch bedeuten, dass Dünnschichtzellen, die direkt sind, auch schlecht wären, weil die Rekombination auch einfach ist?
@nomadStack Sie sollten diese Details zu Ihrer Frage hinzufügen, um sie spezifisch zu machen. „Warum machen Materialien mit direkter Bandlücke gute LEDs?“ oder „Warum können Solarzellen sowohl aus direkten als auch aus indirekten Materialien hergestellt werden“ sind hervorragende Fragen. Die Art und Weise, wie es im Moment geschrieben ist, macht es schwierig, ohne einen sehr allgemeinen weitschweifigen Beitrag zu antworten.

Antworten (1)

Die Hauptdesignparameter (zumindest auf konzeptioneller Ebene) für Solarzellen sind die Bandlückenenergie und die Diffusionslänge der Minoritätsträger. Ersteres bestimmt, an welchem ​​Punkt im Sonnenspektrum der Halbleiter beginnt, Licht zu absorbieren, letzteres bestimmt, wie weit Minoritätsträger vor der Rekombination diffundieren. Das Ziel einer Solarzelle besteht darin, dass die photogenerierten Minoritätsträger den Übergang überqueren, bevor sie rekombinieren.

Materialien mit direkter Bandlücke haben starke optische Übergänge zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband. Indirekte Materialien haben jedoch ziemlich schwache optische Übergänge. Dies liegt daran, dass Absorption und Emission eines Photons bei gleichzeitiger Absorption oder Emission eines Phonons (also Impulsumkehr) erfolgen müssen.

Wenn Sie das Design einer GaAs-Solarzelle (direktes Material) mit einer Si-Solarzelle (indirektes Material) vergleichen, werden Sie feststellen, dass Siliziumzellen viel dicker sind: in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern. Dies geschieht, um eine viel schwächere Absorption auszugleichen. Da Silizium außerdem ein schlechter Lichtabsorber ist, bedeutet eine einfache größere Dicke, dass Sie fast alle einfallenden Photonen absorbieren können.

An der Oberfläche beantwortet dies Ihre Fragen. Es gibt jedoch eine andere Detailebene.

Betrachtet man nur die optischen Eigenschaften, ist es eindeutig vorteilhaft, eine dicke aktive Schicht zu haben. Wenn Sie jedoch eine GaAs- oder Silizium-Solarzelle viel dicker machen würden, würde der Wirkungsgrad entgegen der Intuition abnehmen! Dies liegt an der Diffusionslänge der Minoritätsträger.

Die Minoritätsdiffusionslänge von Trägern in Silizium ist sehr lang, mittlere Träger können sich Hunderte von Mikrometern bewegen, bevor sie sich spontan rekombinieren. Dadurch ist es möglich, mit einer dicken aktiven Schicht ein gutes Gleichgewicht zwischen optischer Erzeugung und Ladungsträgersammlung zu erhalten.

Die Diffusionslänge der Minoritätsträger in GaAs ist jedoch sehr kurz, in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern. Glücklicherweise hat GaAs einen großen Absorptionskoeffizienten, sodass Zellen nur wenige Mikrometer dick sein müssen, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Absorption und Ladungsträgeransammlung zu erreichen.

Zusammenfassend geht es darum, die optische Absorption durch Ändern der Dicke und die Ladungsträgersammlung auszugleichen, indem sichergestellt wird, dass die Dicke kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsträger ist. Vorausgesetzt, Sie können dieses Gleichgewicht erreichen, können Sie Solarzellen aus direkten oder indirekten Materialien herstellen.

Würde dies bedeuten, dass ein direkter Halbleiter, der dicker als die Trägerdiffusionslänge ist, als Solarzelle funktionieren würde, die Licht emittiert? In einer LED möchten Sie strahlende Rekombination. In einer Solarzelle wollen Sie keine Art von Rekombination. Wie kontrollieren Sie, welcher Rekombinationsmechanismus auftritt? SRH ist ziemlich unkompliziert (einen Kristall so perfekt wie möglich machen). Aber wie wäre es, Strahlung über Auger zu induzieren?
Dies sind alles gute Fragen, aber es wird Zeit brauchen, sie zu diskutieren, und sie führen nicht gut zum Kommentarfeld. Warum dies nicht zu einer neuen Frage zur Rekombination zusammenfassen?
@nomadStack OK, gute Frage! Hab dir in meiner Mittagspause was getippt. Upvotes und akzeptierte Antworten werden geschätzt.
Warum können Solarzellen aus indirekten und direkten Halbleitern bestehen? (Vergleich zwischen einigen pn-Übergangsgeräten)
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