¿Por qué las células solares pueden estar hechas de semiconductores indirectos y directos? (Comparación entre algunos dispositivos de unión pn)

Varios libros de texto mencionan, pero no entran en detalles, cómo se optimizan los dispositivos semiconductores para su función particular. El espacio Ek es trascendental para entender esto, ya que depende de la naturaleza directa e indirecta del semiconductor. Sin embargo, estoy confundido con respecto a esta parte. Estoy especialmente interesado en dispositivos optoelectrónicos (fotodiodo, LED, celda solar y láser semiconductor). Los LED están hechos de semiconductores directos, porque la recombinación de huecos de electrones puede ocurrir sin la participación de fonones. Las celdas solares pueden estar hechas de ambos. En las células solares no desea ningún tipo de recombinación. ¿Qué papel juega aquí el carácter directo o indirecto del material?

¿ Sería Ingeniería Eléctrica un mejor hogar para esta pregunta?
No tengo claro qué se pide exactamente. Dado que se mencionó el espacio Ek, no estoy seguro de que se trate de una pregunta sobre el dispositivo, pero no está claro qué iluminación física se desea.
@JonCuster: por ejemplo, por qué motivos se elige un determinado material para un determinado dispositivo. Básicamente tiene que ver con la recombinación. Un LED debe tener mucha recombinación radiativa y no los otros tipos. En un solar no quieres ningún tipo de recombinación. ¿Cómo te las arreglas para hacer eso? Sé que las celdas de silicio son muy gruesas porque el material es indirecto (coeficiente de absorción reducido debido a la participación de fonones en la generación de pares eh). Pero, ¿no significaría eso también que las células de película delgada, que son directas, también serían malas, porque la recombinación también es fácil?
@nomadStack, debe agregar estos detalles a su pregunta para que sea específica. Por ejemplo, "por qué los materiales de banda prohibida directos son buenos LED" o "por qué las células solares pueden fabricarse con materiales directos e indirectos" son preguntas excelentes. La forma en que está escrito en este momento hace que sea difícil responder sin una publicación incoherente muy general.

Respuestas (1)

Los principales parámetros de diseño (al menos a nivel conceptual) para las células solares son la energía de banda prohibida y la longitud de difusión de la portadora minoritaria. El primero determina en qué punto del espectro solar el semiconductor comienza a absorber luz, el segundo determina hasta qué punto los portadores minoritarios se difunden antes de recombinarse. El objetivo de una celda solar es hacer que los portadores minoritarios fotogenerados crucen la unión antes de que se recombinen.

Los materiales de banda prohibida directa tienen fuertes transiciones ópticas entre la banda de valencia y la de conducción. Sin embargo, los materiales indirectos tienen transiciones ópticas bastante débiles. Esto se debe a que la absorción y emisión de un fotón debe ocurrir con la absorción o emisión simultánea de un fonón (por lo tanto, cantidad de movimiento inversa).

Si compara el diseño de una celda solar de GaAs (material directo) con una de Si (material indirecto), encontrará que las celdas de silicio son mucho más gruesas: del orden de cientos de micrones. Esto se hace para compensar una absorción mucho más débil. Además, debido a que el silicio es un pobre absorbente de luz, el simple hecho de tener un mayor espesor significa que puede absorber casi todos los fotones entrantes.

En la superficie esto responde a sus preguntas. Sin embargo, hay otro nivel de detalle.

Teniendo en cuenta únicamente las propiedades ópticas, es claramente ventajoso tener una capa activa gruesa. Sin embargo, si hiciera una celda solar de GaAs o silicio mucho más gruesa, la eficiencia, contrariamente a la intuición, disminuiría . Esto se debe a la longitud de difusión de los portadores minoritarios.

La longitud de difusión minoritaria de los portadores en el silicio es muy larga, lo que significa que los portadores pueden moverse cientos de micras antes de recombinarse espontáneamente. Esto es posible obtener un buen equilibrio de generación óptica y colección de portadores con una capa activa gruesa.

Sin embargo, la longitud de difusión del portador minoritario en GaAs es muy corta, del orden de decenas de micras. Afortunadamente, GaAs tiene un gran coeficiente de absorción, por lo que las células solo tienen que tener varias micras de espesor para lograr un buen equilibrio entre la absorción y la recolección de portadores.

En resumen, se trata de equilibrar la absorción óptica, cambiando el grosor y la colección de portadores, asegurándose de que el grosor sea menor que la longitud de difusión del portador minoritario. Siempre que pueda lograr este equilibrio, puede fabricar células solares a partir de materiales directos o indirectos.

¿Esto implicaría que si un semiconductor directo que es más grueso que la longitud de difusión del portador funcionaría como una celda solar que emite luz? En un LED, desea una recombinación radiativa. En una celda solar no quieres ningún tipo de recombinación. ¿Cómo se controla qué mecanismo de recombinación se produce? SRH es bastante sencillo (hacer un cristal lo más perfecto posible). Pero, ¿qué hay de inducir radiación sobre Auger?
Todas estas son buenas preguntas, pero tomará tiempo discutirlas y no se dirigirán bien al cuadro de comentarios. ¿Por qué no sintetizar esto en una nueva pregunta sobre la recombinación?
@nomadStack OK, ¡buena pregunta! Te escribí algo durante mi hora de almuerzo. Se agradecen los votos a favor y las respuestas aceptadas.
¿Por qué las células solares pueden estar hechas de semiconductores indirectos y directos? (Comparación entre algunos dispositivos de unión pn)
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