Jump to content

фоновольтаический

Фоноэлектрический элемент и энергетическая схема его работы. [ 1 ]

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 ]
Локальная и пространственная тепловая неравновесность населенностей оптических фононов и электронов ( и ) для вариаций длины. Если расстояние ( L ) между возбуждением и сбором очень мало по отношению к длине охлаждения ( ), локальная неравновесность значительно больше пространственной неравновесности. Обратное происходит, когда длина очень велика по сравнению с длиной охлаждения.

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 ]
Эффективность фоноэлектрического элемента при изменении добротности, предела Карно и запрещенной зоны. [ 1 ]

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 ]
Иллюстрация электрон-фононной связи между валентными состояниями и состояниями проводимости в реальном и импульсном пространстве. [ 1 ]

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 ]
Фононная энергия и плотность состояний различных полупроводников и полуметаллов.
Запрещённая зона различных полупроводников и полуметаллов.

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Кавиани, М. (2014). Физика теплопередачи (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-107041783 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ Шривистава, Г. (1990). Физика фононов . Бристоль: Адам Хильгер.
  9. ^ 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 .
  10. ^ Маделунг, О. (2004). Полупроводники: Справочник данных . Берлин: Шпрингер.
  11. ^ Адачи, С. (2005). Свойства полупроводников групп IV, III-V и II-IV . Сассекс: Уайли.
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ Георгакилас, В. (2012). «Функционализация графена: ковалентные и нековалентные подходы, производные и приложения» . Химические обзоры . 112 (11): 6156–6214. дои : 10.1021/cr3000412 . ПМИД   23009634 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0451abe7976cf926185c6018221e8423__1657484160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/04/23/0451abe7976cf926185c6018221e8423.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Phonovoltaic - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)