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Efecto fotovoltaico de dos fotones

El efecto fotovoltaico de dos fotones (efecto TPP) es un método de recolección de energía basado en la absorción de dos fotones (TPA). El efecto TPP puede considerarse el equiva...

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El efecto fotovoltaico de dos fotones (efecto TPP) es un método de recolección de energía basado en la absorción de dos fotones (TPA). El efecto TPP puede considerarse el equivalente no lineal del efecto fotovoltaico tradicional que involucra altas intensidades ópticas. Este efecto ocurre cuando dos fotones son absorbidos al mismo tiempo, lo que resulta en un par electrón-hueco .

Fondo

La absorción de dos fotones (TPA) suele ser varios órdenes de magnitud más débil que la absorción lineal a bajas intensidades de luz. Se diferencia de la absorción lineal en que la tasa de transición óptica debida a la TPA depende del cuadrado de la intensidad de la luz, por lo que se trata de un proceso óptico no lineal y puede predominar sobre la absorción lineal a altas intensidades. Por consiguiente, la disipación de potencia debida a la TPA y la dispersión de portadores libres resultante constituyen problemas perjudiciales en los dispositivos semiconductores que operan basándose en interacciones ópticas no lineales, como los efectos Kerr y Raman , cuando se trabaja con altas intensidades. El efecto TPP se estudia como una posible solución a esta doble crisis de eficiencia energética.

Aunque en el pasado se han realizado algunas mejoras e investigaciones teóricas en el campo, la aplicación concreta del efecto fue analizada numérica y experimentalmente por primera vez por Bahram Jalali y sus colegas en 2006 en Silicon . [ 1 ]

Física

Los dispositivos con efecto TPP se basan en guías de onda con diodos de unión p-n laterales , en los que la potencia de bombeo se pierde de forma no lineal debido a la absorción de dos fotones (TPA) y la absorción de portadores libres (FCA) a lo largo de la dirección z, perpendicular a la sección transversal xy de la unión.

La intensidad óptica acoplada se rige por la siguiente ecuación:

dónde:

α es el coeficiente de absorción lineal;
β el coeficiente TPA;
y α FCA se denomina coeficiente FCA, que viene dado por la expresión de Soref.

La tasa de fotogeneración de portadores se define por:

GRAMO=dnortedt=−dITPAGAdz⋅12mipag=βIpag22mipag{\displaystyle G={\frac {dN}{dt}}=-{\frac {dI_{TPA}}{dz}}\cdot {\frac {1}{2E_{p}}}={\frac {\beta I_{p}^{2}}{2E_{p}}}}

donde E p es la energía del fotón y el factor12{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}Esto se debe a que en el proceso intervienen dos fotones.

Fotocorriente por unidad de longitud: IGRAMO=q⋅AmiFF⋅GRAMO{\textstyle I_{G}=q\cdot A_{eff}\cdot G}, dónde AmiFF{\textstyle A_{eff}}es el área efectiva de la guía de ondas y q es la carga del electrón. Para una guía de ondas de longitud L , tenemos

IGRAMO=βqAmiFF2mipag∫0LIpag2(z)dz{\displaystyle I_{G}={\frac {\beta qA_{eff}}{2E_{p}}}\int _{0}^{L}I_{p}^{2}(z)dz}

Nosotros definimosIpag0{\textstyle I_{p0}}como la intensidad de bombeo acoplada enz=0{\displaystyle z=0}Por lo tanto, obtenemos la siguiente expresión:

LnorteL=∫0LIpag2(z)Ipag02dz{\displaystyle L_{NL}=\int _{0}^{L}{\frac {I_{p}^{2}(z)}{I_{p0}^{2}}}dz}

Esta última expresión se denomina longitud efectiva, que es el equivalente no lineal de la longitud de interacción definida en fibras ópticas . También es necesario considerar la contribución de la inyección y recombinación de portadores a la corriente total, de modo que la corriente total del fotodiodo se expresa como: [ 2 ]

La ecuación de Shockley proporciona la característica I-V (corriente-voltaje) de un diodo idealizado: [ 3 ]

El valor deIs{\displaystyle I_{s}}se denomina corriente de saturación en polarización inversa y se define por: [ 3 ]

Is=qhL⋅(Dnortenortepag0Lnorte+Dpagpagnorte0Lpag){\displaystyle I_{s}=qhL\cdot ({\frac {D_{n}n_{p0}}{L_{n}}}+{\frac {D_{p}p_{n0}}{L_{p}}})}

donde h y L se definen en la Fig. 1 y los parámetros restantes tienen el significado habitual definido en la referencia Física de dispositivos semiconductores de Sze . [ 3 ]

La ecuación de Shockley es válida ya que la fotogeneración en las regiones dopadas con N y P es insignificante en el diodo p-n . Esto contrasta con la teoría convencional de las células solares, donde la fotogeneración ocurre predominantemente en las regiones dopadas con N y P [ 4 ], como se muestra en la Fig. 2.

Debido a la estructura PIN (Figura 2) debemos tener en cuenta la corriente de recombinación que aproximamos mediante la recombinación de Shockley-Read-Hall dada por  :

dóndeW+2d{\displaystyle W+2d}se define en la Fig. 1,nortemiFF{\displaystyle N_{eff}}es la densidad de portadores efectiva a lo largo dez^{\displaystyle {\hat {z}}}yτnorte{\displaystyle \tau _{n}}yτpag{\displaystyle \tau _{p}}son los tiempos de vida de recombinación en masa de electrones y huecos, respectivamente.

En un circuito, la disipación de potencia se refiere a la tasa a la que se pierde energía debido a los elementos resistivos y se define tradicionalmente de la siguiente manera:

Ahora definimos la eficiencia de recolección, que es el número de portadores/fotones consumidos por TPA: [ 4 ]

Esto es apropiado para dispositivos como amplificadores y convertidores de longitud de onda, donde la recolección de energía es un subproducto útil, pero no la funcionalidad principal del dispositivo en sí. Si el efecto TPP se pretende utilizar en una celda fotovoltaica, entonces la eficiencia de potenciaηpag{\displaystyle \eta _{p}}debe tenerse en cuenta.

En primer lugar, la eficiencia cuántica externa viene dada porηmiincógnitat=ηdootúpaglinortegramo⋅ηq{\displaystyle \eta _{ext}=\eta _{coupling}\cdot \eta _{q}}, dóndenortedootúpaglinortegramo{\displaystyle n_{coupling}}se refiere a la eficiencia de acoplamiento de la luz en la guía de ondas y

ηq=mipagITqIpag0AmiFF{\displaystyle \eta _{q}={\frac {E_{p}I_{T}}{qI_{p0}A_{eff}}}}

que se puede aproximar a:

ηq(Vmetro)≈βLnorteLIpag02{\displaystyle \eta _{q}(V_{m})\approx {\frac {\beta L_{NL}I_{p0}}{2}}}

Finalmente, la eficiencia energética viene dada por:

Banda intermedia

Las células solares convencionales se basan en transiciones de un fotón entre la banda de valencia (VB) y la banda de conducción (CB) de un semiconductor . El uso de un estado intermedio en la banda prohibida fue descrito por primera vez por Luque y Martí en 1997. [ 5 ] Demostraron que con la adición de un nivel intermedio al diagrama de bandas de una célula solar, el límite de eficiencia teórica puede mejorarse mucho más allá del del modelo de Shockley-Queisser [ 6 ] . Esta mejora es posible a través de la captura de fotones subbanda prohibida. La presencia de una banda intermedia permitirá la absorción de dichos fotones, lo que resulta en la generación de pares electrón-hueco, que se suman a los creados por transiciones ópticas directas. En dos excitaciones electrónicas independientes, los fotones se absorben con transiciones de la banda de valencia (VB) a la banda intermedia (IB) y de la banda intermedia (IB) a la banda de conducción (VB). Para lograr resultados óptimos, se asume que todos los dispositivos y procesos son ideales, ya que las condiciones asociadas incluyen movilidad infinita de portadores , absorción total de los fotones deseados, llenado parcial de la banda intermedia (IB) para donar y recibir electrones, y la imposibilidad de extraer corriente de la IB. Dentro de este marco, la eficiencia límite de una celda solar de banda intermedia (IBSC) se ha calculado en un 63,1 %.

La presencia de una banda intermedia puede ser el resultado de varias técnicas, pero sobre todo de la introducción de impurezas en la estructura cristalina. Se sabe que varios elementos de tierras raras producen los estados requeridos entre bandas en un material semiconductor de esta manera. Aumentar la concentración de dichas impurezas permite la posibilidad de dar forma a una banda intermedia, como se ha demostrado en aleaciones de GaAs. Una alternativa interesante es el uso de la tecnología de puntos cuánticos . Se puede diseñar una célula solar para incluir una región de una estructura de puntos cuánticos que induzca el estado confinado deseado. En 2001, Martí et al. propusieron un método viable para cumplir la condición de una banda semillena. [ 7 ] Todavía se está investigando activamente qué materiales presentan estas características deseadas, así como la síntesis de dichos materiales.

El funcionamiento básico de un dispositivo IBSC fue demostrado por primera vez como eficaz en la producción de una fotocorriente por Martí et al. en 2006. [ 8 ]

Materiales

Los materiales semiconductores son tan relevantes debido a que sus propiedades conductoras pueden modificarse de forma útil mediante la introducción de impurezas ("dopaje") en la estructura cristalina. Cuando existen dos regiones con diferente dopaje en un mismo cristal, se crea una unión semiconductora. El desarrollo de estas uniones es la base de los diodos, los transistores y toda la electrónica moderna. Ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común. [ 3 ]

Silicio (Si)

La fotónica de silicio ha sido objeto de numerosos estudios desde los trabajos pioneros de Soref y Petermann a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990 [ 9 ], debido al deseo de crear dispositivos fotónicos de bajo coste aprovechando la sólida infraestructura de fabricación de silicio. Las obleas de silicio tienen el menor coste (por unidad de área) y la mayor calidad cristalina de todos los materiales semiconductores.

Sin embargo, el argumento a favor de la fotónica de silicio es aún más sólido. El silicio posee excelentes propiedades materiales que son importantes en los dispositivos fotónicos: [ 2 ]

  • alta conductividad térmica (~10 veces mayor que la del GaAs),
  • alto umbral de daño óptico (~10 veces mayor que el de GaAs),
  • no linealidades ópticas de tercer orden elevadas

Este último punto es fundamental para el análisis del efecto TPP. El alto contraste de índice entre el silicio (n = 3,45) y el SiO2 (n = 1,45) permite escalar los dispositivos fotónicos a cientos de nanómetros. Estas dimensiones laterales y verticales son necesarias para una verdadera compatibilidad con el procesamiento de circuitos integrados. Además, la alta intensidad óptica derivada del gran contraste de índice (entre Si y SiO2) permite observar interacciones ópticas no lineales, como los efectos Raman y Kerr, en dispositivos a escala de chip. [ 2 ]

Por estas razones, el silicio se ha utilizado comúnmente como material para el efecto fotovoltaico convencional. Debido al límite de Shockley-Queisser [ 6 ], se sabe que la eficiencia máxima de conversión solar de una celda fotovoltaica de unión pn simple es de alrededor del 33,7 % para una banda prohibida de 1,34 eV. Sin embargo, el silicio tiene una banda prohibida de 1,1 eV, lo que corresponde a una eficiencia del 32 %.

Sin embargo, para el efecto TPP, los resultados de la eficiencia de recolección definida en (7) se representan en la Fig. 4 en función del voltaje con diferentes intensidades de bombeo. [ 1 ]

En la figura 4 se muestra una buena concordancia entre los modelos experimentales, analíticos y simulados numéricamente. Se puede realizar una interpolación de los datos para mostrar una eficiencia de recolección de alrededor del 43% paraV→0{\textstyle V\rightarrow 0}En bombas de baja y alta intensidad, el resultado se aproxima al límite teórico del 50%. Sin embargo, no ocurre exactamente lo mismo para bombas de alta intensidad. Este límite de eficiencia de recolección conlleva una eficiencia intrínseca relativamente baja, de alrededor del 5,5%.

Cualquier medio imaginable que mejore beta puede mejorar la eficiencia energética del enfoque actual y FCA es menor en longitudes de onda más cortas aumentandoLnorteL{\displaystyle L_{NL}}La combinación de estos dos efectos podría traducirse en una mayor eficiencia límite en el efecto TPP previsto.

arseniuro de galio (GaAs)

El arseniuro de galio (GaAs) es un material semiconductor importante para las células solares de alto coste y alta eficiencia, y se utiliza tanto en células solares de película delgada monocristalina como en células solares de unión múltiple.

Cada dos fotones perdidos por TPA generan un par electrón-hueco en el material semiconductor y estos portadores fotogenerados están disponibles para la conversión fotovoltaica en energía eléctrica como se muestra en la Figura 5 para dos longitudes de onda particulares (λ=976nortemetro,1550nortemetro{\displaystyle \lambda =976nm,1550nm}).

Se ha observado experimentalmente la absorción de dos fotones (TPA) en arseniuro de galio (GaAs), y su coeficiente, β, calculado en GaAs a 1,3 μm es de 42,5  cm/GW (mucho mayor que el del silicio: 3,3  cm/GW). Además, a la longitud de onda de telecomunicaciones de 1,55 μm, se informa que β es de alrededor de 15  cm/GW en GaAs, en comparación con 0,7  cm/GW en silicio. Por lo tanto, se espera que el efecto TPP sea más fuerte en GaAs. [ 10 ]

Para obtener datos experimentales que comparar con el análisis teórico, la Figura 6 ilustra cómo se puede realizar TPP en una guía de onda GaAs/AlGaAs monomodo utilizando un diodo de unión pin .

La recombinación de Shockley-Read-Hall se tiene en cuenta en este modelo, suponiendo que el nivel de energía de la trampa se encuentra en el medio de la banda prohibida. Las vidas medias de recombinación de electrones y huecos en el volumen,τnorte{\displaystyle \tau _{n}}yτpag{\displaystyle \tau _{p}}En el arseniuro de galio (GaAs) masivo, los tiempos de relajación son del orden de 10⁻⁸ s, aproximadamente dos órdenes de magnitud menores que en el silicio masivo. La recombinación superficial reduce la eficiencia energética del efecto TPP, ya que los electrones y los huecos se recombinan antes de ser recolectados en los contactos.

El efecto TPP es más eficiente a 976  nm debido a un β mayor. Para un dispositivo de 5 cm de longitud con  una potencia de 150 mW, se predice teóricamente una eficiencia de hasta el 8%, superior a las alcanzables en silicio. [ 10 ]

Aplicaciones potenciales

Una posible aplicación del efecto fotovoltaico de dos fotones es el suministro remoto de energía a sensores físicos instalados en entornos críticos donde las chispas eléctricas son peligrosas y se deben evitar los cables de cobre.

Referencias

  1. 1 2 Jalali, Bahram; Fathpour, Sasan (diciembre de 2006). "Fotónica de silicio". Journal of Lightwave Technology . 24 (12): 4600– 4615. Bibcode : 2006JLwT...24.4600J . doi : 10.1109/jlt.2006.885782 . ISSN 0733-8724 . 
  2. ^ Fathpour , Sasan ; Tsia, Kevin K.; Jalali, Bahram (diciembre de 2007). "Efecto fotovoltaico de dos fotones en silicio". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 43 (12): 1211– 1217. Código bibliográfico : 2007IJQE...43.1211F . doi : 10.1109/jqe.2007.907545 . ISSN 0018-9197 . S2CID 7109472 .  
  3. 1 2 3 4 Sze, SM; Ng, Kwok N. (2007). Física de dispositivos semiconductores (3.ª ed.). Hoboken, NJ: Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-14323-9OCLC 74680973​​ 
  4. 1 2 Khriachtchev, Leonid, ed. (2008). Nanofotónica de silicio: principios básicos, estado actual y perspectivas . doi : 10.1142/9789814241137 . ISBN 978-981-4241-13-7.
  5. ↑ Luque, Antonio; Martí, Antonio (1997-06-30). "Aumento de la eficiencia de las células solares ideales mediante transiciones inducidas por fotones en niveles intermedios". Physical Review Letters . 78 (26): 5014– 5017. Bibcode : 1997PhRvL..78.5014L . doi : 10.1103/physrevlett.78.5014 . ISSN 0031-9007 . 
  6. 1 2 Shockley, William; Queisser, Hans J. (marzo de 1961). "Límite de eficiencia de equilibrio detallado de las células solares de unión pn". Journal of Applied Physics . 32 (3): 510– 519. Bibcode : 1961JAP....32..510S . doi : 10.1063/1.1736034 . ISSN 0021-8979 . 
  7. ↑ Marti, A.; Cuadra, L.; Luque, A. (2001). "Relleno parcial de una banda intermedia de punto cuántico para células solares". IEEE Transactions on Electron Devices . 48 (10): 2394– 2399. Bibcode : 2001ITED...48.2394M . doi : 10.1109/16.954482 . ISSN 0018-9383 . 
  8. ↑ Martí, A.; Antolín, E.; Stanley, CR; Farmer, CD; López, N.; Díaz, P.; Cánovas, E.; Linares, PG; Luque, A. (2006-12-13). "Producción de fotocorriente debido a transiciones de banda intermedia a banda de conducción: una demostración de un principio operativo clave de la celda solar de banda intermedia". Physical Review Letters . 97 (24) 247701. Bibcode : 2006PhRvL..97x7701M . doi : 10.1103/physrevlett.97.247701 . ISSN 0031-9007 . PMID 17280325 .  
  9. ↑ Rickman, Andrew (31 de julio de 2014). "La comercialización de la fotónica de silicio". Nature Photonics . 8 (8): 579– 582. Bibcode : 2014NaPho...8..579R . doi : 10.1038/nphoton.2014.175 . ISSN 1749-4885 . S2CID 123328592 .  
  10. 1 2 Ma, Jichi; Chiles, Jeff; Sharma, Yagya D.; Krishna, Sanjay; Fathpour, Sasan (2014). "Efecto fotovoltaico de dos fotones en arseniuro de galio" . Cleo: 2014 . 39 (18). Washington, DC: OSA: 5297– 5500. Bibcode : 2014OptL...39.5297M . doi : 10.1364/cleo_at.2014.jth2a.66 . ISBN 978-1-55752-999-2. PMID 26466255 .