¿Los fotovoltaicos basados ​​en III-V "brillan" (fotoluminiscencia) cuando están iluminados pero no cargados?

En esta buena respuesta comencé a aprender cómo se gestionan las células fotovoltaicas de silicio en la Estación Espacial Internacional . En ese caso, las celdas generalmente entregan energía útil a la estación o se derivan a una carga ficticia. Sin embargo, algunos satélites pueden dejar una fracción de su circuito fotovoltaico abierto si hay poca demanda de energía. En ese caso, los pares electrón-hueco producidos por la luz solar se dejan recombinar dentro de la propia unión.

¿Significa esto que las células fotovoltaicas hechas de compuestos III-V con bandas prohibidas directas producirían cantidades medibles de fotoluminiscencia bajo la iluminación solar, a una longitud de onda que corresponde aproximadamente a la banda prohibida local? Puede haber heteroestructuras, por lo que la longitud de onda puede no corresponder al material a granel. brecha de banda

A menudo se utilizan uniones de semiconductores basadas en InP (en el pasado), InGaAs y GaAs. Muchos satélites de telecomunicaciones de alta potencia en órbitas geoestacionarias utilizan celdas de unión múltiple que están hechas de materiales semiconductores basados ​​en GaAs. Si apunté un telescopio (con capacidad para IR cercano) a uno (por ejemplo, usando esta técnica inteligente ) y usé un filtro, ¿podría detectar esta luminiscencia?

Muchos procesos exóticos en dispositivos que incluyen uniones de semiconductores pueden producir pequeñas cantidades de luz. Estoy interesado en la principal recombinación radiativa fuerte en materiales de banda prohibida directa con eficiencias cuánticas de, digamos, 1% o más. De ahí el "resplandor" en el título.

También podría preguntar si una celda solar con polarización directa se puede usar como LED. No sabía que puede, a diferencia de un LED, que también se puede usar como una célula solar (de bajo rendimiento), sin embargo, parece haber una pequeña historia aquí, consulte, por ejemplo, "PROGRESO EN CARACTERIZACIÓN DE CÉLULAS SOLARES DE SILICIO CON MÉTODOS DE IMAGEN INFRARROJA" por Kasemann et al. . Ha habido informes en el pasado de que incluso los diodos normales en paquetes de vidrio, en modo de conducción, generarán cierta cantidad de radiación IR que puede producir diafonía óptica.
Los transistores de GaAs se iluminan muy bien en funcionamiento. Sí, harán luz bajo la irradiación solar. Realmente, ¿por qué uno pensaría que no lo harían?
@CuriousOne guau! ¿Eran los diodos en la brecha de banda indirecta de vidrio (Si, Ge) o algún material de brecha de banda directa? Si bien el silicio puede generar un poco de luz a veces, generalmente es extremadamente débil, con una eficiencia cuántica muy baja. La diminuta luz de 10 V de polarización inversa pulsada en ese artículo no es algo que suceda en condiciones normales de funcionamiento. Aquí estoy interesado en células fotovoltaicas descargadas y presumiblemente no polarizadas externamente bajo iluminación solar de espectro completo.
@JonCuster Si está seguro de que las células fotovoltaicas III-V imparciales y descargadas producen radiación de recombinación cuando son iluminadas por la luz solar, ¿podría publicar eso como respuesta? ¿Es diminuto (por ejemplo, QE 1E-06) o brillante, como por ejemplo, 1% QE o más? Estoy bastante seguro de que ellos también, y podría agitar mis manos gritando "¡balance detallado! ¡balance detallado!" pero no lo sé a ciencia cierta. ¡Gracias!
Sí, la tradición era/es que incluso las partes de Si y Ge tienen un "brillo" muy débil, pero no tengo ninguna evidencia experimental de que esto sea cierto. Personalmente siempre lo dudé. Si Jon Custer dice que lo ha visto en partes de GaAs donde es más probable, entonces no lo dudo. Casi me dan ganas de pelar un paquete y ver si puedo reproducirlo. :-) Ciertamente he usado LED como fotodetectores. Son marginales pero viables, pero entonces, eso es una obviedad.
@CuriousOne y yo sostuvimos obleas de GaAs y GaAsP en mi mano (enguantada), las golpeamos con pequeños láseres y también verificamos la emisión brillante de IR y visible (respectivamente). Pero esos eran materiales a granel. Un dispositivo fotovoltaico es un dispositivo de unión más complicado: algunos pueden tener heteroestructuras, por lo que no puedo estar seguro.
La fluorescencia debería (al menos en parte) sobrevivir al patrón de los dispositivos. No veo por qué lo haría. ¿Espero que estos satélites brillen intensamente en el IR cercano? Tal vez no.
@CuriousOne No mencioné los patrones en absoluto. Las eteroestructuras de semiconductores, tanto cuánticas como de otro tipo, tienen estequiometría y perfiles de dopaje que varían con la profundidad que pueden ayudar a controlar la acumulación de carga y los efectos de recombinación. Se comportan de manera muy diferente a los materiales a granel, por eso pregunto por las heteroestructuras.
@uhoh, podría hacer un pequeño detalle: la corriente siempre se extrae de los paneles solares de la ISS. El poder, sin embargo, no se extrae necesariamente. Los segmentos de la matriz se apagan desviándolos, por lo que el consumo de corriente permanece casi constante, pero termina habiendo un voltaje casi nulo detrás de él.
@Tristán ¡Gracias! He editado el primer párrafo, ¿se ve mejor?
@uhoh Eso me parece bien :-)

Respuestas (1)

Los fotovoltaicos III-V de hecho fotoluminiscentes bastante bien (particularmente si no están cargados). Como observa, son materiales de banda prohibida directa, por lo que si hay una superposición de electrones y agujeros, puede obtener una recombinación con los fotones que los acompañan.

Si se conecta a un circuito externo, los pares electrón/hueco generados serán barridos fuera de la unión con bastante rapidez, lo que reduce la posibilidad de recombinación. Todavía tendrá recombinación en las áreas de contacto 'a granel' donde los pares eh se 'desperdician'. Además, según el diseño de la unión, en realidad se puede obtener bastante difusión de portadores minoritarios (no deriva) fuera de la unión hacia áreas menos hospitalarias.

Si no está conectado a un circuito, terminará teniendo todos los pares eh recombinados dentro del material (no van a ningún otro lado), por lo que es como hacer fotoluminiscencia en material a granel.

La fotoluminiscencia de las células solares de silicio, particularmente a nivel de oblea, se ha realizado con regularidad para el desarrollo de material de alta eficiencia (para, por ejemplo, aplicaciones espaciales donde ese último 0,5 % cuenta). Dado que el silicio es un material de brecha indirecta con una vida útil del portador nominalmente larga, la intensidad de la transición óptica asistida por fonones es un buen indicador de los niveles de defectos (no radiativos) en el material.

En cuanto a los dispositivos III-V, todos se iluminan bastante bien en funcionamiento normal. Una unión con polarización directa da como resultado que los electrones y los huecos fluyan desde direcciones opuestas para aniquilarse entre sí, liberando muchos fotones. Mi laboratorio realiza efectos de radiación en los dispositivos, y el troquel debe estar desnudo (sin tapa) para golpearlos con un haz de iones. La cámara de orientación muestra los dispositivos iluminados intensamente. La primera vez que lo vi no pude evitar un 'Genial, ¡mira eso!' saliendo de mi boca, momento en el que el miembro del personal que dirigía el experimento comentó con voz uniforme: "GaAs es un material de brecha directa, Jon". Es una de esas cosas que no conectas directamente en los cursos de física de dispositivos...

¡Muchas gracias! La ciencia definitivamente es genial, y cualquiera que actúe de otra manera solo está mintiendo, ¡especialmente cuando las cosas se iluminan! No me di cuenta de que la luminiscencia de PV era un mecanismo directo (aunque no simple) en Si PV. Pensé que era algo exótico y poco entendido, por lo que me ha aclarado varias cosas con esta respuesta.
@uhoh: debería buscar una copia de 'Optical Processes in Semiconductors' de Pankove, que fue una reimpresión de Dover hace más de 30 años (y todavía lo es según Amazon, solo 15 norte mi w − metro y 1975 C o pag y h a s ¡7.50 en la portada!). Es muy bueno en, bueno, todas las medidas ópticas geniales que puede hacer en semiconductores, y es bastante claro y legible.
¿Los fotovoltaicos basados ​​en III-V "brillan" (fotoluminiscencia) cuando están iluminados pero no cargados?
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