„Leuchten“ III-V-basierte Photovoltaikanlagen (Photolumineszenz), wenn sie beleuchtet, aber nicht geladen werden?

In dieser netten Antwort begann ich zu erfahren, wie die Silizium-Photovoltaikzellen auf der Internationalen Raumstation verwaltet werden. In diesem Fall liefern die Zellen im Allgemeinen entweder Nutzleistung an die Station oder werden zu einer Dummy-Last umgeleitet. Einige Satelliten können jedoch einen Teil ihrer Photovoltaik offen lassen, wenn der Strombedarf gering ist. In diesem Fall werden die durch Sonnenlicht erzeugten Elektron-Loch-Paare innerhalb des Übergangs selbst rekombinieren gelassen.

Bedeutet dies, dass aus III-V-Verbindungen mit direkten Bandlücken hergestellte Photovoltaikzellen unter Sonneneinstrahlung messbare Mengen an Photolumineszenz bei einer Wellenlänge erzeugen würden, die ungefähr der lokalen Bandlücke entspricht - es könnten Heterostrukturen vorhanden sein, sodass die Wellenlänge möglicherweise nicht dem Volumenmaterial entspricht Bandabstand.

Auf InP (früher), InGaAs und GaAs basierende Halbleiterübergänge werden häufig verwendet. Viele Hochleistungs-Telekommunikationssatelliten in geostationären Umlaufbahnen verwenden Multi-Junction-Zellen , die aus Halbleitermaterialien auf GaAs-Basis hergestellt sind. Wenn ich ein (nahes IR-fähiges) Teleskop auf eines richten würde (zum Beispiel mit dieser cleveren Technik ) und einen Filter verwenden würde, könnte ich diese Lumineszenz erkennen?

Viele exotische Prozesse in Geräten mit Halbleiterübergängen können winzige Lichtmengen erzeugen - ich interessiere mich für die hauptsächliche, starke Strahlungsrekombination in Materialien mit direkter Bandlücke mit Quanteneffizienzen von beispielsweise 1% oder mehr. Daher das "Glühen" im Titel.

Sie könnten auch fragen, ob eine in Durchlassrichtung vorgespannte Solarzelle als LED verwendet werden kann? Mir war nicht bewusst, dass es, im Gegensatz zu einer LED, die auch als (schlechte) Solarzelle verwendet werden kann, aber hier scheint es eine kleine Geschichte zu geben, siehe z INFRARED IMAGING METHODS“ von Kasemann et al. . In der Vergangenheit gab es Berichte, dass selbst normale Dioden in Glasgehäusen im Leitungsmodus eine gewisse Menge an IR-Strahlung erzeugen, die optisches Übersprechen erzeugen kann.
GaAs-Transistoren leuchten schön im Betrieb. Ja, sie machen Licht unter Sonneneinstrahlung. Wirklich, warum sollte man denken, dass sie es nicht tun würden?
@CuriousOne wow! Waren die Dioden in Glas indirekte Bandlücke (Si, Ge) oder ein Material mit direkter Bandlücke? Während Silizium manchmal ein wenig Licht erzeugen kann, ist es normalerweise extrem schwach und hat eine sehr geringe Quanteneffizienz. Das winzige Licht von 10 V gepulster Sperrvorspannung in diesem Artikel tritt bei normalem Betrieb nicht auf. Hier interessiere ich mich für unbelastete und vermutlich nicht extern vorgespannte PV-Zellen unter Vollspektrum-Sonnenbeleuchtung.
@JonCuster Wenn Sie sicher sind, dass unvoreingenommene, unbelastete III-V-Photovoltaikzellen bei Sonneneinstrahlung Rekombinationsstrahlung erzeugen, könnten Sie das als Antwort posten? Ist es winzig (z. B. QE 1E-06) oder hell – wie etwa 1 % QE oder mehr? Ich bin mir ziemlich sicher, dass sie das auch tun, und ich könnte mit meinen Händen winken und „detaillierte Balance! detaillierte Balance!“ rufen. aber ich weiß es nicht genau. Danke!
Ja, die Überlieferung war / ist, dass sogar Si- und Ge-Teile ein sehr schwaches "Glühen" haben, aber ich habe keine experimentellen Beweise dafür, dass dies wahr ist. Ich persönlich habe das immer bezweifelt. Wenn Jon Custer sagt, dass er es auf GaAs-Teilen gesehen hat, wo es wahrscheinlicher ist, dann zweifle ich nicht daran. Ich möchte fast ein Paket schälen und sehen, ob ich es reproduzieren kann. :-) Ich habe sicherlich LEDs als Fotodetektoren verwendet. Sie sind marginal, aber praktikabel, aber das ist ein Kinderspiel.
@CuriousOne und ich haben GaAs- und GaAsP-Wafer in meiner (behandschuhten) Hand gehalten, sie mit kleinen Lasern getroffen und auch helle IR- und sichtbare (bzw.) Emission verifiziert. Aber das waren Schüttgüter. Ein Photovoltaikgerät ist ein komplizierteres Verbindungsgerät - einige können Heterostrukturen haben, daher kann ich mir einfach nicht sicher sein.
Die Fluoreszenz sollte (zumindest teilweise) die Strukturierung der Vorrichtungen überleben. Ich verstehe nicht, warum es sollte. Erwarte ich, dass diese Satelliten im nahen IR hell leuchten? Vielleicht nicht.
@CuriousOne Ich habe das Mustern überhaupt nicht erwähnt. Halbleiter-Eterostrukturen, sowohl Quanten- als auch andere, haben Stöchiometrie- und Dotierungsprofile , die mit der Tiefe variieren, was helfen kann, Ladungssammlungs- und Rekombinationseffekte zu kontrollieren. Sie verhalten sich ganz anders als Schüttgüter, weshalb ich nach Heterostrukturen frage.
@uhoh Ich könnte einen kleinen Nitpick machen: Strom wird immer von den ISS-Solaranlagen gezogen. Strom wird jedoch nicht unbedingt gezogen. Array-Segmente werden durch Überbrücken abgeschaltet, sodass die Stromaufnahme nahezu konstant bleibt, aber am Ende fast Null Spannung dahinter liegt.
@Tristan Danke! Ich habe den ersten Absatz bearbeitet - sieht das besser aus?
@uhoh Das sieht gut aus für mich :-)

Antworten (1)

III-V-Photovoltaik wird in der Tat ziemlich gut photolumineszieren (insbesondere wenn sie nicht geladen ist). Wie Sie bemerken, handelt es sich um Materialien mit direkter Bandlücke. Wenn sich also Elektronen und Löcher überlappen, können Sie eine Rekombination mit den begleitenden Photonen erhalten.

Bei Anschluss an einen externen Stromkreis werden die erzeugten Elektron/Loch-Paare ziemlich schnell aus dem Übergang herausgefegt, wodurch die Möglichkeit einer Rekombination verringert wird. Sie werden immer noch eine Rekombination in den „Massen“-Kontaktbereichen haben, wo die eh-Paare „verschwendet“ werden. Darüber hinaus können Sie je nach Design des Übergangs tatsächlich eine ganze Menge Minoritätsträgerdiffusion (nicht Drift) aus dem Übergang in weniger gastfreundliche Bereiche bekommen.

Wenn Sie nicht an einen Stromkreis angeschlossen sind, werden Sie am Ende alle eh-Paare innerhalb des Materials rekombinieren (sie gehen nirgendwo anders hin), also ist es genau so, als würden Sie Photolumineszenz auf Schüttgut durchführen.

Die Photolumineszenz von Siliziumsolarzellen, insbesondere auf Waferebene, wurde regelmäßig für die Entwicklung von hocheffizientem Material durchgeführt (z. B. für Weltraumanwendungen, bei denen die letzten 0,5 % zählen). Da Silizium ein indirektes Lückenmaterial mit nominell langer Ladungsträgerlebensdauer ist, ist die Intensität des phononunterstützten optischen Übergangs ein guter Indikator für die (nicht strahlenden) Defektniveaus im Material.

Die III-V-Geräte leuchten im Normalbetrieb alle recht schön. Ein in Vorwärtsrichtung vorgespannter Übergang führt dazu, dass Elektronen und Löcher aus entgegengesetzten Richtungen einströmen, sich gegenseitig vernichten und viele Photonen freisetzen. Mein Labor führt Strahlungseffekte an Geräten durch, und die Chips müssen blank (ohne Deckel) sein, um sie mit einem Ionenstrahl zu treffen. Die Zielkamera zeigt die Geräte hell erleuchtet an. Als ich es das erste Mal sah, konnte ich mir ein „Cool – schau dir das an!“ nicht verkneifen. kam aus meinem Mund, woraufhin der Mitarbeiter, der das Experiment leitete, mit gleichmäßiger Stimme kommentierte: „GaAs ist ein Material für direkte Lücken, Jon“. Es ist eines dieser Dinge, die Sie in Gerätephysikkursen irgendwie nicht direkt verbinden ...

Vielen Dank! Wissenschaft ist definitiv cool, und wer sich anders verhält, blufft nur – besonders dann, wenn es hell wird! Ich wusste nicht, dass die PV-Lumineszenz ein unkomplizierter (wenn auch nicht einfacher) Mechanismus in Si-PV ist. Ich dachte, es sei etwas Exotisches und schlecht verstandenes - also haben Sie mit dieser Antwort eine Reihe von Dingen für mich geklärt.
@uhoh - Sie sollten sich nach einer Kopie von Pankoves "Optical Processes in Semiconductors" umsehen, die vor über 30 Jahren ein Dover-Nachdruck war (und laut Amazon immer noch ist - nur 15 N e w − M j 1975 C Ö P j H A S 7,50 auf dem Cover!). Es ist sehr gut für all die coolen optischen Messungen, die man an Halbleitern durchführen kann, und ziemlich klar und lesbar.
„Leuchten“ III-V-basierte Photovoltaikanlagen (Photolumineszenz), wenn sie beleuchtet, aber nicht geladen werden?
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