фоновольтаический
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2016 г. ) |

Фоноэлектрический фотоэлектрический ( pV ) элемент преобразует колебательную ( фононную ) энергию в постоянный ток , подобно тому, как эффект в фотоэлектрическом (PV) элементе преобразует свет ( фотон ) в мощность. То есть он использует pn-переход для разделения электронов и дырок, образующихся в результате поглощения валентными электронами оптических фононов с большей энергией, чем ширина запрещенной зоны , а затем собирает их в металлических контактах для использования в цепи. [ 1 ] Фотоэлектрический элемент — это применение физики теплопередачи. [ 2 ] и конкурирует с другими устройствами по сбору тепловой энергии, такими как термоэлектрический генератор .
В то время как термоэлектрический генератор преобразует тепло , широкий спектр энергии фононов и электронов, в электричество, фотоэлектрический элемент преобразует только узкую полосу энергии фононов, то есть только наиболее энергичные оптические фононные моды. Узкая зона возбужденных оптических фононов имеет гораздо меньшую энтропию , чем тепло. Таким образом, фотоэлемент может превысить термоэлектрический КПД. [ 1 ] [ 3 ] Однако возбуждение и сбор оптического фонона представляет собой сложную задачу.
Соблюдение законов термодинамики
[ редактировать ]Согласно первому закону термодинамики , возбуждение, вызывающее генерацию электронов как в фото-, так и в фоновольтаических ячейках, то есть фотон или фонон, должно иметь большую энергию, чем полупроводника ширина запрещенной зоны . [ 1 ] Для фотоэлектрических элементов доступно множество материалов с запрещенной зоной ( ) хорошо соответствует спектру солнечных фотонов , как кремний или арсенид галлия . Однако для фотоэлемента ни один современный полупроводниковый материал не имеет запрещенной зоны меньшей, чем энергия его наиболее энергичных (оптических) фононных мод ( ). Таким образом, необходимы новые материалы с обеими энергичными оптическими фононными модами ( мэВ, например, графен , алмаз или нитрид бора ) и небольшая запрещенная зона ( , например, графен).
Согласно второму закону термодинамики , для генерации энергии возбуждение должно быть «горячее», чем ячейка. В фотоэлектрических модулях свет исходит от внешнего источника, например солнца, температура которого составляет около 6000 кельвинов , тогда как у фотоэлектрических модулей температура составляет около 300 кельвинов. Таким образом, второй закон выполняется и преобразование энергии возможно. Однако вибрации кристалла, вызывающие выработку энергии в фотоэлектрическом диапазоне, присущи самому материалу. Таким образом, они не могут быть импортированы из внешнего источника, такого как солнце, а вместо этого должны возбуждаться каким-то другим процессом, пока они не станут горячее, чем клетка. Температура популяции оптических фононов рассчитывается путем сравнения количества оптических фононов с числом, ожидаемым при данной температуре, которое определяется статистикой Бозе-Эйнштейна .
Неравновесная популяция оптических фононов и требования наномасштаба
[ редактировать ]
Существует ряд способов возбудить популяцию колебаний, т. е. создать популяцию горячих оптических фононов. Например, если популяцию электронов возбуждать с помощью лазера или электрического поля , они обычно расслабляются, испуская оптические фононы. Кроме того, горячий молекулярный газ может передавать свои вибрации кристаллу при хемосорбции . Независимо от метода, эффективность преобразования ограничена достигаемой температурой оптических фононов по сравнению с температурой электронов внутри устройства в соответствии с теоремой Карно .
В наноразмерном устройстве эта температура примерно равна температуре самого устройства. [ 1 ] [ 4 ] Однако в макромасштабном устройстве генерируемые электроны накапливаются быстрее, чем собираются. Таким образом, популяция электронов нагревается до температуры оптических фононов и дальнейшая генерация тормозится. Понижающее преобразование одновременно подавляется, поскольку популяция акустических фононов нагревается до температуры оптических фононов. Таким образом, большая фотоэлектрическая ячейка достигает почти равновесного состояния, в котором она нагревается. В лучшем случае он будет действовать как термоэлектрический генератор и проявлять термоэлектрические эффекты. Такое устройство называется термоэлектрическим. [ 5 ] [ 6 ] а не фоновольтаика.
Генерация энтропии и эффективность
[ редактировать ]
Генерация энтропии и неэффективность фотоэлектрической ячейки являются результатом того, что фотоны, более энергичные, чем ширина запрещенной зоны, производят электроны с кинетической энергией в дополнение к потенциальной энергии, обеспечиваемой запрещенной зоной. Аналогичным образом, энергия оптических фононов, превышающая запрещенную зону, генерирует поток энтропии в фотоэлектрической ячейке, а не электроэнергию. Энергоэффективность ( ) количественно выражается соотношением ширины запрещенной зоны и энергии оптического фонона, то есть [ 1 ]
В дополнение к этой типичной неэффективности, популяции горячих оптических фононов имеют тенденцию преобразовываться с понижением частоты в несколько низкоэнергетических акустических фононных мод (тогда как фотоны обычно не преобразуются с понижением частоты в инфракрасные волны низкой энергии). Эта эффективность ( ) количественно определяется тенденцией горячего оптического фонона преобразовывать с понижением частоты, а не генерировать пару электрон-дырка, то есть [ 1 ]
где это скорость генерации и — это скорость понижающей конверсии, т. е. скорость, с которой оптический фонон производит множество низкоэнергетических акустических фононов. Это обеспечивает второй поток энтропии, снижающий эффективность фотоэлектрического элемента.
Наконец, энтропия генерируется как в пВ-, так и в фотоэлектрических ячейках из-за неэффективного разделения генерируемых электронов и дырок. Эта эффективность ( ) ограничено эффективностью Карно , определяемой выражением [ 1 ]
где - температура фотоэлемента и — температура популяции оптических фононов, определяемая статистикой Бозе-Эйнштейна . Эта эффективность снижается, чем меньше ширина запрещенной зоны по сравнению с тепловой энергией ( , где – постоянная Больцмана и это температура). Действительно, эффективность pn- перехода примерно равна [ 1 ]
Таким образом, общая эффективность ( ) является [ 1 ]
где члены, не зависящие от температуры, становятся материальной добротностью ( ), [ 1 ]
Если запрещенная зона и мода оптических фононов являются резонансными, а оптический фонон имеет тенденцию генерировать электроны, фоноэлектрический элемент может приблизиться к пределу Карно как .
Электрон-фононная связь
[ редактировать ]
Электрон-фононная связь отвечает за генерацию электронов в фотоэлектрической ячейке. В этом явлении фонон приводит к движению ионов, которое возмущает состояние с наивысшей занятой валентностью (HOS). Это состояние начинает перекрываться с самым низким незанятым состоянием проводимости (LUS), и электрон может переключать состояния, если энергия и импульс сохраняются. Если это так, то образуется электронно-дырочная пара.
Используя разложение Тейлора изменения электронного потенциала, , из-за ионного смещения фонона, обеспечивает матричный элемент для использования в золотом правиле Ферми и получения скорости генерации. Это расширение Тейлора дает следующий матричный элемент [ 7 ]
где - средняя атомная масса, и — частота и смещение атома, обусловленное фононом с поляризацией и импульс , и - волновая функция электрона с импульсом в группе я . Из золотого правила Ферми
где - энергия электрона в зоне i и импульс , - соответствующее заселение электронов, а – заселенность фононов.
Фонон-фононная связь
[ редактировать ]С генерацией электронов конкурирует преобразование оптических фононов в несколько акустических фононов. Связь возникает из-за кристаллического гамильтониана (H), разложенного по ионному смещению ( ) из положения равновесия ( ) атома i в направлении по направлению, т.е. [ 2 ] [ 8 ]
где - гамильтониан основного состояния, линейный член обращается в нуль (поскольку основное состояние находится путем минимизации энергии через ионное положение) и и второго и третьего порядка — силовые константы между атомами i , j и k при перемещении по координате , , и . Член второго порядка в первую очередь отвечает за дисперсию фононов , тогда как ангармонические члены (третьего порядка и выше) ответственны за тепловое расширение , а также за фонон вверх (несколько низкоэнергетических оптических фононов объединяются, образуя фонон высокой энергии). и даунконверсия (фонон высокой энергии распадается на несколько фононов низкой энергии).
Обычно в повышающем и понижающем преобразовании преобладает взаимодействие третьего порядка. Таким образом, гамильтониан возмущения, используемый в золотом правиле Ферми для преобразования фононов с повышением и понижением частоты, равен [ 9 ]
где — направление смещения атома i за счет фонона. Результирующая скорость понижающего преобразования по золотому правилу Ферми равна
где два фонона рождаются с поляризацией и и импульс и .
Пригодность графена в качестве фоноэлектрического материала
[ редактировать ]

Как указано выше, для эффективной фотоэлектрической ячейки требуется материал с оптической фононной модой, более энергичной, чем ширина запрещенной зоны, которая, в свою очередь, намного более энергична, чем тепловая энергия при предполагаемой рабочей температуре. . Кроме того, для фотоэлектрической ячейки требуется материал, в котором горячий оптический фонон предпочитает производить электрон, а не несколько акустических фононов низкой энергии ( ).
Очень немногие материалы обладают таким сочетанием свойств. Действительно, подавляющее большинство кристаллов имеют энергию оптических фононов, ограниченную ниже 50 мэВ, а кристаллы с более энергичными оптическими фононами, как правило, имеют гораздо более энергичные запрещенные зоны. В общем, материал с элементом первого ряда ( таблица Менделеева ) должен иметь высокоэнергетический оптический фонон. Однако высокая электроотрицательность элементов первого ряда имеет тенденцию создавать очень большую запрещенную зону, как в алмазе и аллотропах нитрида бора . [ 10 ] Графен — один из немногих материалов, который отклоняется от этой тенденции: у него нет запрещенной зоны и исключительно энергичная оптическая фононная мода около 200 мэВ. [ 11 ] [ 12 ] Таким образом, графен стал первоначальной мишенью для разработки фоноэлектрического материала путем открытия и настройки его запрещенной зоны. [ 13 ] [ 3 ]
Открытию и настройке запрещенной зоны графена уделяется значительное внимание, и было предложено и исследовано множество стратегий. К ним относятся использование одноосной деформации, [ 14 ] электрические поля, [ 15 ] и химическое легирование и функционализация. [ 16 ] В общем, эти механизмы работают либо за счет изменения симметрии графена (оба атома углерода в элементарной ячейке идентичны), либо за счет гибридизации ( ).
В первых исследованиях фоновольтаических материалов было высказано предположение, что последний метод разрушает электрон-фононную связь, в то время как первый сохраняет ее. [ 13 ] [ 3 ] В частности, эти исследования предсказывают, что гидрирование графена с целью получения графана настолько существенно уменьшает электрон-фононную связь, что добротность материала исчезает; [ 13 ] и что легирование графена нитридом бора поддерживает сильную электрон-фононную связь в графене, так что его добротность, по прогнозам, достигнет 0,65 и позволит собирать тепло с удвоенной эффективностью типичного термоэлектрического генератора. [ 3 ]
См. также
[ редактировать ]- Передача энергии
- Теплопередача
- Преобразование энергии (Преобразование энергии)
- Тепловая физика
- Тепловая наука
- Теплотехника
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Мельник, К.; Кавиани, М. (март 2016 г.). «Фоновольтаика I. Сбор горячих оптических фононов в наноразмерном pn-переходе» . Физический обзор B . 93 (9): 094302. Бибкод : 2016PhRvB..93i4302M . дои : 10.1103/PhysRevB.93.094302 .
- ^ Перейти обратно: а б Кавиани, М. (2014). Физика теплопередачи (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107041783 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Мельник, К.; Кавиани, М. (декабрь 2016 г.). «Фоновольтаика. III. Электрон-фононная связь и добротность графена: BN» . Физический обзор B . 94 (24): 245412. Бибкод : 2016PhRvB..94x5412M . дои : 10.1103/PhysRevB.94.245412 .
- ^ да Силва, Л. (2004). «Микротермоэлектрический охладитель: межфазные эффекты при тепловом и электрическом переносе». Межд. J. Тепломассообмен . 47 (10–11): 2417. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.11.024 .
- ^ Спан, Г. (2007). «Миниатюрный ТЭГ с термической генерацией свободных носителей». Физический статус Solidi RRL . 1 (6): 241. Бибкод : 2007PSSRR...1..241S . дои : 10.1002/pssr.200701171 . S2CID 44740940 .
- ^ Вагнер, М. (2007). «Термоэлектрическая генерация энергии с использованием pn-переходов Si/SiGe большой площади с содержанием Ge». Полупроводниковая наука и технология . 22 (1): С173. Бибкод : 2007SeScT..22S.173W . дои : 10.1088/0268-1242/22/1/S41 . S2CID 27885891 .
- ^ Барони, С.; де Жиронколи, С.; Корсо, AD; Джанноцци, П. (2001). «Фоны и связанные с ними кристаллические свойства из теории возмущений функционала плотности». Преподобный Мод. Физ . 73 (2): 515–562. arXiv : cond-mat/0012092 . Бибкод : 2001РвМП...73..515Б . дои : 10.1103/RevModPhys.73.515 . S2CID 19021637 .
- ^ Шривистава, Г. (1990). Физика фононов . Бристоль: Адам Хильгер.
- ^ Хеллман, О.; Абрикосов И.А. (2013). «Зависящие от температуры эффективные межатомные силовые константы третьего порядка из первых принципов» . Физ. Преподобный Б. 88 (14): 144301. arXiv : 1308.5436 . Бибкод : 2013PhRvB..88n4301H . дои : 10.1103/PhysRevB.88.144301 . S2CID 39340446 .
- ^ Маделунг, О. (2004). Полупроводники: Справочник данных . Берлин: Шпрингер.
- ^ Адачи, С. (2005). Свойства полупроводников групп IV, III-V и II-IV . Сассекс: Уайли.
- ^ Маулч, Дж .; и др. (2004). «Дисперсия фононов в графите». Письма о физических отзывах . 92 (7): 075501. Бибкод : 2004PhRvL..92g5501M . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.075501 . ПМИД 14995866 .
- ^ Перейти обратно: а б с Мельник, К.; Кавиани, М. (2016). «Фоновольтаика. II. Настройка запрещенной зоны на оптический фонон в графите» . Физический обзор B . 93 (12): 125203. Бибкод : 2016PhRvB..93l5203M . дои : 10.1103/PhysRevB.93.125203 .
- ^ Перьера, В.М. (2009). «Тестичный подход к одноосной деформации графена». Физический обзор B . 80 (4): 045401. arXiv : 0811.4396 . Бибкод : 2009PhRvB..80d5401P . дои : 10.1103/PhysRevB.80.045401 . S2CID 119255776 .
- ^ Парк, К. (2015). «Электронные свойства двухслойного графена, сильно связанного с межслоевой укладкой и внешним электрическим полем». Письма о физических отзывах . 115 (1): 015502. arXiv : 1505.01959 . Бибкод : 2015PhRvL.115a5502P . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.015502 . ПМИД 26182105 . S2CID 9975742 .
- ^ Георгакилас, В. (2012). «Функционализация графена: ковалентные и нековалентные подходы, производные и приложения» . Химические обзоры . 112 (11): 6156–6214. дои : 10.1021/cr3000412 . ПМИД 23009634 .