Baterie słoneczne

Baterie słoneczne

2

2

Historia

Historia

1767

1767

szwajcarski uczony,

szwajcarski uczony,

Horace

Horace

de

de

Saussure

Saussure

, buduje pierwszy słoneczny

, buduje pierwszy słoneczny

kolektor

kolektor

http://

http://

solarcooking

solarcooking

.

.

org

org

/

/

saussure

saussure

.

.

htm

htm

1839 Edmund Becquerel, po raz pierwszy
obserwuje efekt fotoelektryczny.

(E. Becquerel,"Mčmoire sur les effets électriques produits sous
l'influence des rayons solaires", C. R. Acad. Sci. Paris, 1839, 9,
561-567)

3

3

Historia

Historia

„

„

Willoughby Smith, 1873

Willoughby Smith, 1873

: Pierwsza

: Pierwsza

obserwacja efektu fotoelektrycznego w

obserwacja efektu fotoelektrycznego w

ciele stałym.

ciele stałym.

4

4

Histor

Histor

ia

ia

1883

1883

Pierwsza bateria słoneczna:

Pierwsza bateria słoneczna:

Charles

Charles

Fritts

Fritts

1905

1905

Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego:

Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego:

Albert Einstein

Albert Einstein

1915

1915

Potwierdzenie wyjaśnienia zjawiska

Potwierdzenie wyjaśnienia zjawiska

fotoelektrycznego:

fotoelektrycznego:

Robert

Robert

Millikan

Millikan

1918

1918

Metoda wytwarzania monokryształów

Metoda wytwarzania monokryształów

krzemu:

krzemu:

Jan

Jan

Czochralski

Czochralski

1941

1941

~

~

Krzemowa bateria słoneczna:

Krzemowa bateria słoneczna:

Russell

Russell

Ohl

Ohl

5

5

Zasada działania

Zasada działania

6

6

Główne rodzaje ogniw

Główne rodzaje ogniw

słonecznych

słonecznych

„

„

Zbudowane na bazie monokrystalicznego

Zbudowane na bazie monokrystalicznego

krzemu

krzemu

„

„

Zbudowane na bazie

Zbudowane na bazie

polikrystalicznego

polikrystalicznego

krzemu

krzemu

„

„

Zbudowane na bazie amorficznego

Zbudowane na bazie amorficznego

krzemu

krzemu

7

7

Monokrystaliczny krzem

Monokrystaliczny krzem

„

„

Ogniwa zbudowane

Ogniwa zbudowane

na monokryształach

na monokryształach

mają dużą

mają dużą

sprawność, ale są

sprawność, ale są

drogie.

drogie.

8

8

Polikrystaliczny

Polikrystaliczny

krzem

krzem

Tańsze, nieco mniej

Tańsze, nieco mniej

wydajne.

wydajne.

Source: Kyocera Co. Japan

9

9

Amorficzny krzem

Amorficzny krzem

Jeszcze tańsze i

Jeszcze tańsze i

jeszcze mniej

jeszcze mniej

wydajne

wydajne

Source: GFa - Visolar

10

10

Porównanie

Porównanie

11

11

Porównanie

Porównanie

Typ

Typ

Wydajność

Wydajność

ogniwa w

ogniwa w

laboratorium

laboratorium

Wydajność seryjnego

Wydajność seryjnego

ogniwa

ogniwa

Mono

Mono

-

-

24

24

14

14

-

-

17

17

Pol

Pol

i

i

-

-

18

18

13

13

-

-

15

15

Amorficzne

Amorficzne

13

13

5

5

-

-

7

7

12

12

Od czego zależy

Od czego zależy

wydajność komórki?

wydajność komórki?

1. Od przezroczystości

górnej elektrody.

Dlatego właśnie,

elektrody mają kształt

wąskich pasków.

13

13

Od czego zależy

Od czego zależy

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Współczynnik odbicia światła od

Współczynnik odbicia światła od

powierzchni

powierzchni

Im mniej światła się odbije, tym lepiej.

Im mniej światła się odbije, tym lepiej.

14

14

Od czego zależy

Od czego zależy

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Absorpcja

Fotony o energii mniejszej niż szerokość przerwy energetycznej nie

są absorbowane;

Materiał o przerwie energetycznej 0.9 eV najbardziej efektywnie

wykorzystywałby promieniowanie dochodzące do powierzchni
Ziemi.

Krzem z przerwą 1.1 eV wykorzystuje około 44% energii padającego

promieniowania.

15

15

Od czego zależy

Od czego zależy

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Straty powstałe przy zbieraniu nośników ładunku

Straty wynikają z rekombinacji nośników ładunku. Minimalizuje si

Straty wynikają z rekombinacji nośników ładunku. Minimalizuje si

ę je

ę je

używając materiałów dobrej jakości,

używając materiałów dobrej jakości,

tzn

tzn

takich, w których czas

takich, w których czas

życia mniejszościowych nośników ładunku jest długi.

życia mniejszościowych nośników ładunku jest długi.

16

16

Od czego zależy

Od czego zależy

wydajność komórki?

wydajność komórki?

Napięcie

Napięcie wytwarzane przez komórkę
zależy od przerwy energetycznej.

Istnieje optymalna szerokość przerwy
energetycznej, przy której komórka
będzie pracować z największą
sprawnością (przy oświetleniu danym
rodzajem promieniowania). Dla
promieniowania docierającego do
powierzchni Ziemi jest to 1.4 eV

17

17

Niektóre rozwiązania

Niektóre rozwiązania

Wpływ na właściwości odbijające powierzchni;

Nowe materiały (GaAs, CdTe, CuInSe

2

);

Podwójne komórki, układy komórek (każda

odpowiadająca innemu zakresowi długości fali);
Skupianie światła;
Komórki zbudowane nie na złączu pn, ale złączu

półprzewodnik-tlenek;
Komórki Grätzela;

18

18

Wpływ na właściwości

Wpływ na właściwości

odbijające powierzchni

odbijające powierzchni

19

19

Warstwy

Warstwy

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

„

„

Krzem jest srebrzystym, błyszczącym

Krzem jest srebrzystym, błyszczącym

materiałem. Odbija ponad 30% padającego

materiałem. Odbija ponad 30% padającego

światła.

światła.

„

„

Dlatego, na powierzchnię komórki nanosi się

Dlatego, na powierzchnię komórki nanosi się

warstwę lub warstwy

warstwę lub warstwy

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

.

.

20

20

Warstwy

Warstwy

antyrefleksyjne

antyrefleksyjne

„

„

Może to być np.:

Może to być np.:

–

–

Cienka warstwa

Cienka warstwa

SiO

SiO

(redukuje odbicie do 10%)

(redukuje odbicie do 10%)

–

–

Si

Si

3

3

N

N

4

4

–

–

TiO

TiO

i inne

i inne

21

21

Teksturowanie

Teksturowanie

powierzchni

powierzchni

„

„

Powierzchnia komórki ma

Powierzchnia komórki ma

strukturę albo piramidek,

strukturę albo piramidek,

albo sferycznych rowków.

albo sferycznych rowków.

Wskutek tego padające

Wskutek tego padające

światło odbija się od

światło odbija się od

powierzchni wielokrotnie.

powierzchni wielokrotnie.

Source: Kyosemi Company

Japan.

22

22

Teksturowanie

Teksturowanie

powierzchni

powierzchni

Source: Key Center for PV Engineering - UNSW

23

23

Nowe materiały

Nowe materiały

24

24

Maksymalne wydajności dla

Maksymalne wydajności dla

różnych materiałów

różnych materiałów

25

25

CuInSe

CuInSe

2

2

„

„

Szerokość przerwy

Szerokość przerwy

energetycznej

energetycznej

1 eV

1 eV

Taka

Taka

przerwa jest o

przerwa jest o

0.5 eV

0.5 eV

mniejsza

mniejsza

niż optymalna.

niż optymalna.

„

„

Dodatek

Dodatek

Ga

Ga

zwiększa szerokość

zwiększa szerokość

przerwy do

przerwy do

1.2 eV

1.2 eV

, co zwiększa

, co zwiększa

wydajność o 15%

wydajność o 15%

„

„

Planowane jest dalsze

Planowane jest dalsze

zwiększenie szerokości przerwy

zwiększenie szerokości przerwy

do

do

1.4

1.4

i

i

1.6 eV

1.6 eV

poprzez dodanie

poprzez dodanie

większej ilości

większej ilości

Ga

Ga

i

i

/

/

lub

lub

S

Source: Dünnschicht-Solarzellen

S

26

26

CdTe

CdTe

Theoretical maximum levels of efficiency of

solar cells at standard condition.

Source: Solar Energy Ireland

Source: Asarco Specialty Metals

„

„

Duże problemy

Duże problemy

technologiczne, trudny do

technologiczne, trudny do

wytworzenia w sposób

wytworzenia w sposób

powtarzalny.

powtarzalny.

27

27

Podwójne komórki

Podwójne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

28

28

Podwójne komórki

Podwójne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

„

„

Różne materiały

Różne materiały

półprzewodnikowe ułożone

półprzewodnikowe ułożone

jeden nad drugim zmniejszają

jeden nad drugim zmniejszają

straty energii padającego

straty energii padającego

promieniowania.

promieniowania.

Source: National

Renewable Energy

Laboratory

29

29

Podwójne komórki

Podwójne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

Source: Triple Junction Technology.

Mogą to być potrójne komórki

Mogą to być potrójne komórki

30

30

Podwójne komórki

Podwójne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

Source: Triple Junction Technology

Komórki ustawione są w kolejności malejącej

Komórki ustawione są w kolejności malejącej

przerwy energetycznej.

przerwy energetycznej.

31

31

Skupianie światła

Skupianie światła

„

„

Światło o większej intensywności pada na

Światło o większej intensywności pada na

powierzchnię komórki dzięki układowi

powierzchnię komórki dzięki układowi

soczewek i zwierciadeł skupiających światło

soczewek i zwierciadeł skupiających światło

.

.

32

32

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a

a

„

„

Fotoele

Fotoele

k

k

tryczna

tryczna

k

k

omórka

omórka

elektrochemiczna

elektrochemiczna

Source: University of Queensland – Soft

Condensed Matter Physics

33

33

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a

a

jedna elektroda

jedna elektroda

pokryta tlenkiem

pokryta tlenkiem

tytanu z dodatkiem

tytanu z dodatkiem

barwnika,

barwnika,

a druga metaliczna

a druga metaliczna

(szkło pokryte

(szkło pokryte

platyną).

platyną).

pom

pom

i

i

ędzy: ele

ędzy: ele

k

k

trol

trol

i

i

t

t

34

34

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a: rola

a: rola

barwnika

barwnika

„

„

TiO

TiO

2

2

absorbuje w

absorbuje w

zakresie

zakresie

ultrafioleu

ultrafioleu

.

.

Możliwe jest jednak

Możliwe jest jednak

chemiczne

chemiczne

związanie

związanie

cząsteczki barwnika

cząsteczki barwnika

z TiO

z TiO

2

2

. Barwnik

. Barwnik

absorbuje w

absorbuje w

zakresie

zakresie

widzialnym.

widzialnym.

„

„

Światło wzbudza

Światło wzbudza

elektron w

elektron w

barwniku.

barwniku.

c.b.

v.b.

D/D+

D*/D+

sensitiser

semiconductor

Ef

photovoltage

hole conductor

-

-

-

-

+ +
+ +

35

35

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a: rola

a: rola

barwnika

barwnika

„

„

Jeśli elektron ten

Jeśli elektron ten

ma energię

ma energię

wyższą niż dno

wyższą niż dno

pasma

pasma

przewodnictwa

przewodnictwa

w TiO

w TiO

2

2

, to może

, to może

on przejść do

on przejść do

tego pasma i

tego pasma i

uczestniczyć w

uczestniczyć w

procesie

procesie

przewodzenia.

c.b.

v.b.

D/D+

D*/D+

sensitiser

semiconductor

Ef

photovoltage

hole conductor

-

-

-

-

+ +
+ +

przewodzenia.

36

36

Komórki

Komórki

Gratzel

Gratzel

a:

a:

działanie

działanie

„

„

Światło padając na komórkę

Światło padając na komórkę

wzbudza elektron w barwniku;

wzbudza elektron w barwniku;

„

„

Elektron w warstwie TiO

Elektron w warstwie TiO

2

2

wędruje do elektrody;

wędruje do elektrody;

„

„

Jednocześnie przy drugiej

Jednocześnie przy drugiej

elektrodzie elektron jest

elektrodzie elektron jest

przekazywany cząsteczce

przekazywany cząsteczce

elektrolitu;

elektrolitu;

„

„

Jon elektrolitu wędruje do

Jon elektrolitu wędruje do

elektrody;

elektrody;

„

„

Po dojściu do elektrody

Po dojściu do elektrody

przekazuje elektron barwnikowi;

przekazuje elektron barwnikowi;

„

„

Itd. Itd.

Itd. Itd.

37

37

Materiały

Materiały

Barwnik

Elektrolit: np.

LiI(C

2

H

5

OH)

4

–I

2

półprzewodnik

38

38

Komórki MIS

Komórki MIS

„

„

Zbudowane nie na złączu p

Zbudowane nie na złączu p

-

-

n, ale

n, ale

złączu izolator

złączu izolator

-

-

półprzewodnik. Zasada

półprzewodnik. Zasada

działania nie różni się.

działania nie różni się.

39

39

Organiczne komórki

Organiczne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

40

40

Materiały

Materiały

–

–

Półprzewodzące polimery

Półprzewodzące polimery

–

–

Przewodzące małe molekuły

Przewodzące małe molekuły

–

–

barwniki

barwniki

–

–

fulleren

fulleren

y

y

–

–

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy

41

41

Naturalne komórki

Naturalne komórki

fotoelektryczne

fotoelektryczne

42

42

Przewodzące pol

Przewodzące pol

i

i

mery

mery

„

„

Przewodzące pol

Przewodzące polimery mają najczęściej

przerwę energetyczną 1.5 – 3 eV, czyli

odpowiednią do wykorzystania w

urządzeniach fotoelektrycznych.

„

Zjawisko fotoelektryczne jest w nich bardziej

skomplikowane niż w półprzewodnikach

nieorganicznych.

43

43

Zasada działania

Zasada działania

1. Padający foton

powoduje powstanie

pary elektron-dziura.

2. Jest to jednak para

związana: ekscytonu

44

44

Zasada działania

Zasada działania

3. Ekscyton dysocjuje na

elektron i dziurę w pobliżu

granicy między

materiałami

Dziury są zbierane na

elektrodzie o wyższej
pracy wyjścia (ITO), a
elektrony na elektrodzie o

mniejszej pracy wyjścia
(aluminium).

45

45

Zasada działania

Zasada działania

0

1

2

3

4

5

0

1

2

3

4

5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

EQ

E (

%

)

Energy / eV

OC1C10

CN PPV

OC1C10-CN PPV

OC1C10-MCP

Blend

Blend

single
polymers

Blends

Single polymer

A.M.Biswas, J.J.M. Halls 1999

Yu et al, Science 1995

„

„

Proces

Proces

rozdz

rozdz

i

i

elen

elen

i

i

a ładunku przy elektrodach jest mało

a ładunku przy elektrodach jest mało

efektywny.

efektywny.

„

„

Rozw

Rozw

i

i

ązan

ązan

i

i

e: przen

e: przenikająca się sieć

pol

pol

i

i

merów będących

merów będących

donoram

donoram

i

i

i

i

akceptoram

akceptoram

i

i

elektronów

elektronów

46

46

Materiały

Materiały

politiofen

(p)

cyanopochodna

poli-fenyleno

vinylenu (n)

47

47

Materiały

Materiały

Polimer transportuje dziury

Fulleren transportuje elektrony

48

48

Stru

Stru

k

k

tura ogn

tura ogn

i

i

wa

wa

organ

organ

i

i

cznego

cznego

49

49

Porównan

Porównan

i

i

e

e

k

k

omóre

omóre

k

k

M

ATERIAL SYSTEM

J

SC

(mA cm

-2

)

V

OC

(V)

F

ILL

F

ACTOR

E

FFICIENCY

(%)

P

EAK

QE, &

WAVELENGTH

(nm)

PT:PCBM (???)

5??

P3HT:PCBM
(Padinger, 2003)

8.5

0.55

0.6

3.5

70% at 500nm

MDMO-PPV:PCBM
(Shaheen, 2001)

5.25

0.82

0.61

2.5

50% at 470nm

Dye sensitised solar
cell with OMeTAD
(Kruger, 2001)

5

0.90

0.56

2.56

38% at 520nm

Cu phthalocyanine
/C60 bi-layer cell
(Peumans, 2001)

~10

0.53

0.52

3.6

18% at 620nm
35% at 400nm

Doped pentacene
heterojunction
(Schon, 2001)
(homojunction)

7.7

(5.3)

0.90

(0.97)

0.66

(0.47)

4.5

(2.4)

36% at 650nm

Amorphous silicon

19.4

0.887

0.74

12.7

~90%

Monocrystalline
silicon (UNSW)

42.2

0.706

0.83

24.7

>90%

50

50

Baterie fotoelektryczne:

Baterie fotoelektryczne:

ekonmia

ekonmia

„

„

Moc baterii fotoelektrycznych

Moc baterii fotoelektrycznych

zainstalowanych na świecie

zainstalowanych na świecie

:

:

około

około

800

800

MW

MW

„

„

Czas, po jakim zwróci się inwestycja:

Czas, po jakim zwróci się inwestycja:

do 70 lat.

do 70 lat.

51

51

Kolektory energii

Kolektory energii

słonecznej

słonecznej

Energia termiczna jest wyłapywana przez kolektor. Krążący

Energia termiczna jest wyłapywana przez kolektor. Krążący

płyn transportuje energię cieplną do zbiornika. Zbiornik

płyn transportuje energię cieplną do zbiornika. Zbiornik

ogrzewa wodę.

ogrzewa wodę.

52

52

Materiały

Materiały

Główną częścią kolektora jest absorber,

zbudowany z wąskich metalowych

pasków. Typowo, absorbery zrobione są

z miedzi i aluminium.

Absorbery są czarne (absorpcja = ponad
90%. Mogą to być farby, ale lepsze
właściwości mają galwanicznie
nanoszone warstwy: czarnego chromu,
niklu, tlenku aluminium z niklem.
Nowość: azotek tytanu.

Nie tylko baterie i

Nie tylko baterie i

kolektory słoneczne

kolektory słoneczne

DETEKTORY

DETEKTORY

54

54

Detektory: podstawy

Detektory: podstawy

E

C

E

V

E

G

dziura

generacja

E

C

E

V

E

G

rekombinacja

55

55

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Foton padając na półprzewodnik

Foton padając na półprzewodnik

generuje parę elektron

generuje parę elektron

-

-

dziura. Wskutek

dziura. Wskutek

tego, zwiększa się ilość swobodnych

tego, zwiększa się ilość swobodnych

nośników ładunku w półprzewodniku.

nośników ładunku w półprzewodniku.

Maleje jego opór

Maleje jego opór

56

56

Fotorezystory

Fotorezystory

57

57

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Zmiana oporu może być bardzo duża:

Zmiana oporu może być bardzo duża:

od setek kiloomów w stanie

od setek kiloomów w stanie

nieoświetlonym do stu omów w świetle

nieoświetlonym do stu omów w świetle

słonecznym.

słonecznym.

58

58

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Najczęściej są to cienkie warstwy

Najczęściej są to cienkie warstwy

poli

poli

-

-

lub monokrystalicznego

lub monokrystalicznego

półprzewodnika

półprzewodnika

.

.

Najpowszechniejsze

Najpowszechniejsze

są to warstwy

są to warstwy

CdS

CdS

,

,

który jest czuły na

który jest czuły na

światło w zakresie widzialnym

światło w zakresie widzialnym

.

.

59

59

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Fotorezystory

Fotorezystory

CdS

CdS

stosowane są

stosowane są

praktycznie wszędzie: w

praktycznie wszędzie: w

światłomierzach,

światłomierzach,

alarmach, światłach

alarmach, światłach

ulicznych.

ulicznych.

60

60

Fotorezystory

Fotorezystory

„

„

Inne materiały to

Inne materiały to

PbS

PbS

,

,

PbSe

PbSe

i

i

PbT

PbT

e. Z

e. Z

tym, że są one czułe na

tym, że są one czułe na

promieniowanie elektromagnetyczne w

promieniowanie elektromagnetyczne w

zakresie podczerwieni.

zakresie podczerwieni.

61

61

Fotorezystory

Fotorezystory

Jeszcze inne materiały:

Ge

:

Cu

. Są one

najlepszymi (i najdroższymi)
detektorami w dalekiej podczerwieni. Są
stosowane w astronomii i spektroskopii.

62

62

Fotod

Fotod

i

i

oda

oda

-

-

złącze

złącze

PN

PN

P

N

Dyfuzja dziur

Dyfuzja elektronów

P --

++

N

D

w równowadze:

Barrier Field

63

63

Fotodiody

Fotodiody

Zasada działania: diodę p-n polaryzujemy

w kierunku zaporowym: prąd nie płynie

(lub płynie bardzo mały prąd).

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

P ---

+++

N

-

+

D

64

64

Fotodiody

Fotodiody

Zasada działania: światło pada na obszar

złącza, generuje pary elektron-dziura.

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

E

C

E

V

E

C

E

V

µ

e

∆φ

0

p-type semiconductor

n-type semiconductor

Electrons

Holes

+

-

Prąd płynie

P ---

+++

N

-

+

D

65

65

Fotodiody

Fotodiody

nieoświetlona

oświetlona

66

66

Fotodiody

Fotodiody

„

„

Istnieją różne rodzaje tych urządzeń.

Istnieją różne rodzaje tych urządzeń.

Główne, to:

Główne, to:

–

–

Fotodiody typu

Fotodiody typu

pin

pin

(złącze p

(złącze p

-

-

obszar

obszar

samoistny

samoistny

-

-

n);

n);

–

–

Fotodiody lawinowe;

Fotodiody lawinowe;

67

67

Fotodiody

Fotodiody

Fotodioda typu pin:

68

68

Fotodiody

Fotodiody

Celem takiej konfiguracji

diody jest zmniejszenie

niekorzystnej rekombinacji

(jeżeli elektron i dziura

zrekombinują zanim dotrą

do elektrod, to prąd

fotodiody nie wzrośnie).

69

69

Fotodiody

Fotodiody

Fotodioda lawinowa:
Padający foton generuje

parę elektron-dziura.

Elektrony i dziury

przyspieszane są w polu

elektrycznym. Zderzają się

z neutralnymi atomami

wzbudzając kolejne

elektrony (elektrony

wtórne)

70

70

Fotodiody

Fotodiody

Typowy współczynnik

wzmocnienia wynosi od 10

do kilkuset. Np. czynnik 80

oznacza, że jeden foton

światła spowodował

przepływ 80-ciu

elektronów.

71

71

Fotodiody

Fotodiody

Figure 4 – APD

Diody lawinowe wymagają

zasilania stosunkowo

wysokim napięciem. Np. od

30 do 70 V dla InGaAs APDs

do ponad 300 V dla Si

72

72

Fotodiody: porównanie

Fotodiody: porównanie

Parametr

Fotodiody PIN

Fotodiody

lawinowe

Materiał

Si, Ge, InGaAs

Si, Ge, InGaAs

Zakres f

DC do 40+ GHz

DC do 40+ GHz

Długość fali

0.6 to 1.8 µm

0.6 to 1.8 µm

Efektywność

0.5 to 1.0

Amps/Watt

0.5 to 100

Amps/Watt

Wymagania

Brak

Napięcie i

temperatura

Cena

$1 to $500

$100 to $2,000

73

73

Materiały

Materiały

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Si

Si

w zakresie do 0.8

w zakresie do 0.8

µ

µ

m

m

„

„

Ge

Ge

do

do

1.8

1.8

µ

µ

m,

m,

„

„

Z

Z

łą

łą

cza metal

cza metal

-

-

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodnik

przewodnik

„

„

Heteroz

Heteroz

łą

łą

cza

cza

74

74

Materiały

Materiały

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Problem:

Problem:

–

–

Współczynn

Współczynn

ik

ik

absorbcj

absorbcj

i

i

mater

mater

i

i

ału

ału

‚

‚

na

na

k

k

tóry pada św

tóry pada św

i

i

atło

atło

jest duży (

jest duży (

α

α

> 10

> 10

6

6

m

m

-

-

1

1

)

)

.

.

–

–

Mater

Mater

i

i

ał mus

ał mus

i

i

być c

być c

i

i

en

en

ki

ki

.

.

–

–

Zatem

Zatem

‚

‚

pary ele

pary ele

k

k

tron

tron

-

-

dz

dz

i

i

ura

ura

powstają bl

powstają bl

i

i

s

s

k

k

o pow

o pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

.

.

Bl

Bl

i

i

s

s

k

k

ość pow

ość pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

przysp

przysp

i

i

esza

esza

re

re

k

k

omb

omb

i

i

nację.

nację.

75

75

Materiały

Materiały

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Rozw

Rozw

i

i

ązan

ązan

i

i

e problemu:

e problemu:

–

–

(a) D

(a) D

i

i

ody metal

ody metal

-

-

półprzewodn

półprzewodn

ik

ik

–

–

(b)

(b)

Heterozłącza

Heterozłącza

a)

b)

76

76

Materiały

Materiały

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

D

D

i

i

ody

ody

Schottky

Schottky

’

’

ego

ego

–

–

d

d

i

i

ody

ody

metal

metal

–

–

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

k

k

i

i

te

te

ż

ż

maj

maj

ą

ą

w

w

ł

ł

a

a

ś

ś

c

c

i

i

wo

wo

ś

ś

c

c

i

i

prostuj

prostuj

ą

ą

ce

ce

pr

pr

ą

ą

d. Dz

d. Dz

i

i

a

a

ł

ł

aj

aj

ą

ą

‚

‚

zatem

zatem

i

i

dentyczn

dentyczn

i

i

e jak

e jak

zwy

zwy

k

k

ł

ł

e

e

fotod

fotod

i

i

ody.

ody.

„

„

Zbudowane s

Zbudowane s

ą

ą

z

z

p

p

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

i

i

k

k

a (

a (

GaAs

GaAs

)

)

‚

‚

na

na

k

k

t

t

ó

ó

rym

rym

nan

nan

i

i

es

es

i

i

ona jest

ona jest

c

c

i

i

en

en

k

k

a

a

warstwa metalu (10

warstwa metalu (10

nm

nm

).

).

Materiały i technologia

Materiały i technologia

0.25

µm I-GaP

50 nm p-GaP doped 1*10^18cm^-3 Be

0.1

µm I-GaP

1.0

µm n-GaP doped 5*10^18 cm^-3 Si

GaP n+ Substrate

Metal

•

•

D

D

i

i

ody

ody

Schottky

Schottky

’

’

ego:

ego:

problemem techicznym

jest to, że metal powinien być jak

najbardziej przezroczysty.

78

78

Materiały

Materiały

i

i

technolog

technolog

i

i

a

a

„

„

Heteroz

Heteroz

łą

łą

cza

cza

:

:

–

–

P

P

ó

ó

ł

ł

przewodn

przewodn

ik

ik

na pow

na pow

i

i

erzchn

erzchn

i

i

ma

ma

szero

szero

k

k

ą

ą

przerw

przerw

ę

ę

energetyczn

energetyczn

ą

ą

i

i

s

s

ł

ł

abo absorbuje

abo absorbuje

ś

ś

w

w

i

i

at

at

ł

ł

o.

o.

–

–

Gdy

Gdy

ś

ś

w

w

i

i

at

at

ł

ł

o doc

o doc

i

i

era do mater

era do mater

i

i

a

a

ł

ł

u o

u o

w

w

ęż

ęż

szej przerw

szej przerw

i

i

e

e

,

,

absor

absor

bcja

bcja

staje s

staje s

i

i

ę

ę

s

s

i

i

lna.

lna.

Jednocze

Jednocze

ś

ś

n

n

i

i

e w tym obszarze

e w tym obszarze

jest du

jest du

ż

ż

e pole ele

e pole ele

k

k

tryczne. Je

tryczne. Je

ś

ś

l

l

i

i

re

re

k

k

omb

omb

i

i

nacja n

nacja n

i

i

e jest zbyt s

e jest zbyt s

i

i

lna

lna

,

,

mo

mo

ż

ż

na os

na os

i

i

ą

ą

gn

gn

ąć

ąć

du

du

żą

żą

wydajno

wydajno

ść

ść

.

.

–

–

Mater

Mater

i

i

a

a

ł

ł

y:

y:

–

–

(

(

InGaAsP

InGaAsP

)

)

1

1

/(

/(

InGaAsP

InGaAsP

)

)

2

2

/

/

InP

InP

–

–

(

(

GaAlAsSb

GaAlAsSb

)

)

1

1

/(

/(

GaAlAsSb

GaAlAsSb

)

)

2

2

/

/

GaSb

GaSb

79

79

Fotoelektryczne detektory dymu

Fotoelektryczne detektory dymu

80

80

Fotoelektryczne detektory cząste

Fotoelektryczne detektory cząste

k

k

81

81

Fotoelektryczne detektory cząste

Fotoelektryczne detektory cząste

k

k

+

+

+

+

_

_

_

_

–

–

Padająca cząst

Padająca cząst

k

k

a

a

powoduje powstan

powoduje powstan

i

i

e

e

par

par

ele

ele

k

k

tron

tron

-

-

dz

dz

i

i

ura

ura

82

82

Literatura

Literatura

„

„

Sandrio Elim

Sandrio Elim

,

,

Portland State University

Portland State University

„

„

Małgorzata

Małgorzata

Pociask

Pociask

,

,

Institute of Physics

Institute of Physics

,

,

University of

University of

Rzeszów,

Rzeszów,

Poland

Poland

„

„

David Marx

David Marx

,

,

Illinois State University

Illinois State University

„

„

Jenny Nelson

Jenny Nelson

,

,

Department of Physics

Department of Physics

,

,

Imperial College

Imperial College

London

London