Conception de dispositifs concernant les mécanismes de recombinaison

nomadStack

Conception de dispositifs concernant les mécanismes de recombinaison


Alors que dans une LED, une recombinaison radiative est souhaitée, dans une cellule solaire, aucun type de recombinaison n’est favorable. Comment les différents mécanismes de recombinaison sont-ils contrôlés? La SSR est assez simple (faites un cristal aussi parfait que possible). Mais que diriez-vous d’induire un rayonnement sur Auger?

La présente question est basée sur cette question qui, en résumé, a abouti à cette réponse:

« Il s’agit d’équilibrer l’absorption optique, en changeant l’épaisseur et la collection de supports, en s’assurant que l’épaisseur est inférieure à la longueur de diffusion du support minoritaire. À condition que vous puissiez atteindre cet équilibre, vous pouvez fabriquer des cellules solaires à partir de matériaux directs ou indirects. »

Cela impliquerait-il que si un semi-conducteur direct qui est plus épais que la longueur de diffusion du support fonctionnerait comme une cellule solaire émettant de la lumière?

Réponses


 boyfarrell

Recombinaison

Une manière utile de penser au taux de recombinaison dans les semi-conducteurs découle de l’équation,

R=UNEn+Bnp+Cpn2g+je/q

n

et

p

sont la densité d’électrons et de trous.

Le premier terme traite de la recombinaison non radiative. Dans votre question, vous avez mentionné Shockley-Reed-Hall (SRH), pensez à ce terme comme un modèle de recombinaison non radiative très simple où

UNE=τnr1

est l’inverse de la durée de vie non radiative.

Le deuxième terme concerne le taux de recombinaison radiative (bimoléculaire).

Le troisième terme concerne la recombinaison Auger.

Le quatrième terme concerne la génération d’électrons (et de trous) due à l’absorption de la lumière.

Le cinquième terme concerne un courant électrique extrait du matériau (le courant pourrait être négatif pour l’injection).

Le

UNE

,

B

et

C

sont des coefficients qui contrôlent la contribution de chaque terme au taux de recombinaison total

R

. Ce sont des constantes matérielles.

Vous remarquerez que différents mécanismes de recombinaison dominent à différents régimes de densité de porteurs:

  • à faible densité de porteurs, le terme non radiatif domine,
  • à densité porteuse modérée, la recombinaison radiative domine,
  • et à une densité de porteurs extrême, la recombinaison Auger domine.

La façon dont la recombinaison est contrôlée consiste à rassembler différents matériaux semi-conducteurs pour:

  1. contrôler les concentrations d’électrons et de trous
  2. exploiter les différentes propriétés des matériaux (c’est-à-dire le

Conception d’hétérostructure

Lorsque différents semi-conducteurs sont réunis dans un seul appareil, cela s’appelle une hétérostructure semi-conductrice. Les hétérostructures sont principalement conçues pour contrôler la concentration d’électrons et de trous dans différentes régions d’un appareil afin d’atteindre un résultat donné.

Une hétérostructure de cellule solaire est conçue pour atteindre un bon équilibre entre la génération optique (

g

) de telle sorte que le courant extrait

je

est maximisé. Cela se fait en rendant la couche absorbante aussi épaisse que possible, mais suffisamment mince pour que les porteurs puissent traverser la jonction en un temps plus rapide que

τnr

. De même, la densité de porteurs doit être suffisamment faible pour que le taux d’extraction (donné par

je/q

) est plus rapide que le taux de recombinaison radiative.

Dans une LED, vous voulez injecter du courant dans l’appareil (c’est-à-dire le

je

terme) et rendre la densité de porteurs d’électrons et de trous très élevée dans un petit volume de l’appareil pour augmenter le taux de recombinaison radiative. Cependant, la densité de porteurs ne doit pas être trop élevée pour que les porteurs soient perdus par recombinaison Auger non radiative.

Donc, en résumé, vous pouvez contrôler la recombinaison en concevant intelligemment des iciostructures de semi-conducteurs pour contrôler les concentrations d’électrons et de trous et tirer parti des propriétés naturelles du matériau du semi-conducteur (c’est-à-dire le

UNE

,

B

et

C

coefficients). Habituellement, c’est un compromis entre deux autres processus de recombinaison, comme avec les deux exemples discutés ci-dessus.

nomadStack

Très bonne réponse! Deux questions: 1) D’où avez-vous cette équation?

boyfarrell

Il est utilisé tout le temps dans des articles de recherche empirique. Essayez de lire certaines des premières recherches sur les diodes laser GaAsN. La couverture venant du taux de recombinaison non radiatif pour atteindre les critères de laser dans ces matériaux était tout à fait une réussite.

nomadStack

Agréable! va examiner cela 2) D’après ce que j’ai compris, il est en théorie possible de construire un appareil qui utilise l’énergie solaire pour émettre de la lumière. Et je ne parle pas de convertir la lumière en électricité, puis d’alimenter une LED; Je veux dire une cellule solaire qui dégage de la lumière (sonne un peu bizarre car elle est en contradiction avec la définition d’une cellule solaire). Est-ce faux? De plus, si un laser à semi-conducteur est une LED avec un résonateur (peut très bien simplifier à l’extrême ici), un laser à cellule solaire pourrait-il être construit? Je vais ouvrir une question si vous ne trouvez pas ces haha ​​non-sens.

boyfarrell

Oui, les cellules solaires émettent de la lumière. Parce que vous opérez en point de polarisation avant. L’astuce consiste à équilibrer la quantité de lumière qu’ils émettent. S’ils émettent trop, le courant diminuera car toute l’énergie s’échappe sous forme de photons et non d’électrons! Il y a une relation très fondamentale entre la puissance maximale d’une cellule solaire et la lumière qu’elle émet: lisez la limite Shockley-Queisser. Oui, les lasers à semi-conducteurs sont « fondamentalement » des LED dans un résonateur! N’hésitez pas à ouvrir une nouvelle question!

nomadStack

Je connais la sq-limit. La recombinaison radiative est basée sur le principe de l’équilibre détaillé, mais elle est très petite (voir image colorée: sjbyrnes.com/sq.html ). Cela considère que le laser laser à cellules solaires est techniquement inutile. Peut-être avec une cellule multijonction avec la lumière concentrée d’une autre étoile.

 

(concernant, #de, conception, dispositifs, Les, Mécanismes, recombinaison

 

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