Two-photon photovoltaic effect
બે-ફોટોન ફોટોવોલ્ટેઇક અસર (ટી. પી. પી. અસર) એ બે-ફોટોન શોષણ (ટી. પી. એ.) પર આધારિત ઊર્જા સંગ્રહ પદ્ધતિ છે. ટી. પી. પી. અસરને ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ તીવ્રતાને સમાવતી પરંપરાગત ફોટોવોલ્ટેઇક અસરની બિનરેખીય સમકક્ષ તરીકે વિચારી શકાય છે. આ અસર ત્યારે થાય છે જ્યારે એક જ સમયે બે ફોટોન શોષાય છે જેના પરિણામે ઇલેક્ટ્રોન-છિદ્ર જોડી બને છે. પૃષ્ઠભૂમિ ટી. પી. એ. સામાન્ય રીતે ઓછા પ્રકાશની તીવ્રતા પર રેખીય શોષણ કરતાં નબળા તીવ્રતાના કેટલાક ક્રમ છે. તે રેખીય શોષણથી અલગ છે કારણ કે ટી. પી. એ. ને કારણે ઓપ્ટિકલ સંક્રમણ દર પ્રકાશની તીવ્રતાના વર્ગ પર આધાર રાખે છે, આમ તે એક બિનરેખીય ઓપ્ટિકલ પ્રક્રિયા છે અને ઉચ્ચ તીવ્રતા પર રેખીય શોષણ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે. તેથી, ટી. પી. એ. માંથી પાવર ડિસિપેશન અને પરિણામી મુક્ત વાહક સ્કેટરિંગ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં હાનિકારક સમસ્યાઓ છે જે ઉચ્ચ તીવ્રતા સાથે વ્યવહાર કરતી વખતે કેર અને રમન અસરો જેવી બિનરેખીય ઓપ્ટિકલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓના આધારે કાર્ય કરે છે. ઊર્જા કાર્યક્ષમતા પર આ બેવડી કટોકટીના સંભવિત ઉકેલ તરીકે ટી. પી. પી. અસરનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. ભૂતકાળમાં આ ક્ષેત્રમાં કેટલાક સુધારાઓ અને સૈદ્ધાંતિક તપાસ કરવામાં આવી હોવા છતાં, અસરના નક્કર ઉપયોગનું સંખ્યાત્મક અને પ્રાયોગિક રીતે બહરામ જલાલી અને તેમના સાથીદારો દ્વારા 2006માં સિલિકોનમાં પ્રથમ વખત વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. ભૌતિકશાસ્ત્ર ટી. પી. પી. અસર ઉપકરણો બાજુની પી. એન. જંકશન ડાયોડ સાથે વેવગાઇડ પર આધારિત છે, જેમાં ટી. પી. એ. અને ઝેડ-દિશા સાથે ફ્રી-કેરિયર શોષણ (એફ. સી. એ.) ને કારણે પંપની શક્તિ બિનરેખીય રીતે ખોવાઈ જાય છે, જે જંકશન x-y ક્રોસ-સેક્શનને લંબરૂપ હોય છે. કપલ્ડ ઓપ્ટિકલ ઇન્ટેન્સિટી નીચેના સમીકરણ દ્વારા સંચાલિત થાય છેઃ જ્યાંઃ રેખીય શોષણ ગુણાંક છે; ટી. પી. એ. ગુણાંક; અને તેને એફ. સી. એ. ગુણાંક કહેવામાં આવે છે જે સોરેફની અભિવ્યક્તિ દ્વારા આપવામાં આવે છે. વાહક ફોટોજનરેશન દર આ રીતે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છેઃ જ્યાં ફોટોનની ઊર્જા છે અને પરિબળ એ હકીકતને કારણે છે કે પ્રક્રિયામાં બે ફોટોન સામેલ છે. એકમ લંબાઈ દીઠ ફોટોક્રન્ટઃ, જ્યાં વેવગાઇડનું અસરકારક ક્ષેત્ર છે અને તે ઇલેક્ટ્રોન ચાર્જ છે. લંબાઈના વેવગાઇડ માટે, આપણી પાસે છે આપણે કપલ્ડ પંપની તીવ્રતા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ. તેથી, આપણે નીચેની અભિવ્યક્તિ મેળવીએ છીએઃ આ છેલ્લી અભિવ્યક્તિને અસરકારક લંબાઈ કહેવામાં આવે છે જે ઓપ્ટિકલ રેસામાં વ્યાખ્યાયિત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની લંબાઈની બિનરેખીય સમકક્ષ છે. કુલ પ્રવાહમાં વાહક ઇન્જેક્શન અને પુનઃસંયોજનમાં યોગદાનને પણ ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છે જેથી કુલ ફોટોડાયોડ પ્રવાહને આ રીતે વ્યક્ત કરવામાં આવેઃ શોકલી સમીકરણ આદર્શ ડાયોડની I-V (વર્તમાન-વોલ્ટેજ) લાક્ષણિકતા આપે છેઃ ના મૂલ્યને રિવર્સ બાયસ સંતૃપ્તિ પ્રવાહ કહેવામાં આવે છે અને તેને આ રીતે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છેઃ આકૃતિમાં ક્યાં અને વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. 1 અને બાકીના પરિમાણોનો સામાન્ય અર્થ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના સંદર્ભ સેઝના ભૌતિકશાસ્ત્રમાં વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવ્યો છે. શોકલી સમીકરણ માન્ય છે કારણ કે એન અને પી ડોપ્ડ પ્રદેશોમાં ફોટોજનરેશન પી-એન ડાયોડમાં નગણ્ય છે. આ પરંપરાગત સૌર કોષ સિદ્ધાંતથી વિપરીત છે, જ્યાં આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે ફોટોજનરેશન મુખ્યત્વે એન અને પી ડોપ્ડ પ્રદેશોમાં થાય છે. 2. પિન માળખાને કારણે (આકૃતિ 2) આપણે પુનઃસંયોજન પ્રવાહને ધ્યાનમાં લેવો પડશે જે આપણે શોકલી-રીડ-હોલ પુનઃસંયોજન દ્વારા અંદાજિત કરીએ છીએઃ જ્યાં Fig.1 માં વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે, તે અસરકારક વાહક ઘનતા છે અને તે ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ બલ્ક પુનઃસંયોજન જીવનકાળ છે, અનુક્રમે. સર્કિટમાં, પાવર ડિસિપેશન એ દરનો ઉલ્લેખ કરે છે કે જેના પર પ્રતિરોધક તત્વોને કારણે ઊર્જા ગુમાવે છે અને તેને પરંપરાગત રીતે નીચે પ્રમાણે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છેઃ હવે આપણે સંગ્રહ કાર્યક્ષમતાને વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ, જે ટી. પી. એ. દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાતા વાહકો/ફોટોનની સંખ્યા છેઃ આ એમ્પ્લીફાયર્સ અને તરંગલંબાઇ કન્વર્ટર જેવા ઉપકરણો માટે યોગ્ય છે જ્યાં ઊર્જા લણણી એ ઉપયોગી આડપેદાશ છે પરંતુ ઉપકરણની મુખ્ય કાર્યક્ષમતા નથી. જો ટી. પી. પી. અસર ફોટોવોલ્ટેઇક કોષમાં ઉપયોગમાં લેવાનો હેતુ છે, તો પછી પાવર કાર્યક્ષમતાને ધ્યાનમાં લેવી જોઈએ. પ્રથમ, બાહ્ય ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા આના દ્વારા આપવામાં આવે છે, જ્યાં તરંગ માર્ગદર્શિકામાં પ્રકાશની જોડાણ કાર્યક્ષમતાનો સંદર્ભ આપવામાં આવે છે અને જેનો અંદાજ આ રીતે લગાવી શકાય છેઃ છેવટે, વીજ કાર્યક્ષમતા આના દ્વારા આપવામાં આવે છેઃ મધ્યવર્તી બેન્ડ પરંપરાગત સૌર કોષો અર્ધચાલકની સંયોજકતા (VB) અને વહન બેન્ડ (CB) વચ્ચેના એક-ફોટોન સંક્રમણો પર આધાર રાખે છે. બેન્ડગેપમાં મધ્યવર્તી સ્થિતિનો ઉપયોગ સૌપ્રથમ 1997માં લુકે અને માર્ટી દ્વારા વર્ણવવામાં આવ્યો હતો. તેઓએ દર્શાવ્યું કે સૌર કોષના બેન્ડ આકૃતિમાં મધ્યવર્તી સ્તરના ઉમેરા સાથે, સૈદ્ધાંતિક કાર્યક્ષમતાની મર્યાદાને શોકલી-ક્વિઝર મોડેલથી ઘણી આગળ સુધારી શકાય છે. આ સુધારો પેટા-બેન્ડગેપ ફોટોનને કબજે કરીને શક્ય છે. મધ્યવર્તી પટ્ટાની હાજરી આવા ફોટોનના શોષણને મંજૂરી આપશે, જેના પરિણામે ઇલેક્ટ્રોન-છિદ્ર જોડીઓની ઉત્પત્તિ થશે, જે સીધા ઓપ્ટિકલ સંક્રમણો દ્વારા બનાવવામાં આવેલા ફોટોનમાં વધારો કરશે. બે સ્વતંત્ર ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજનાઓમાં, ફોટોન સંયોજકતા (VB) થી મધ્યવર્તી બેન્ડ (IB) અને મધ્યવર્તી (IB) થી વહન બેન્ડ (VB) માં સંક્રમણ સાથે શોષાય છે. શ્રેષ્ઠ પરિણામો હાંસલ કરવા માટે, કોઈપણ ઉપકરણો અને પ્રક્રિયાઓને આદર્શ માનવામાં આવે છે કારણ કે સંકળાયેલ પરિસ્થિતિઓમાં અનંત વાહક ગતિશીલતા, ઇચ્છિત ફોટોનનું સંપૂર્ણ શોષણ, ઇલેક્ટ્રોનનું દાન કરવા અને પ્રાપ્ત કરવા બંને માટે આઇબીનું આંશિક ભરણ અને આઇબીમાંથી પ્રવાહ કાઢવાની કોઈ શક્યતા શામેલ નથી. આ માળખામાં, મધ્યવર્તી-બેન્ડ સૌર કોષ (IBSC) ની મર્યાદિત કાર્યક્ષમતાની ગણતરી 63.1% કરવામાં આવી છે. મધ્યવર્તી પટ્ટાની હાજરી ઘણી તકનીકોનું પરિણામ હોઈ શકે છે, પરંતુ ખાસ કરીને સ્ફટિક માળખામાં અશુદ્ધિઓની રજૂઆત. બહુવિધ દુર્લભ-પૃથ્વી તત્વો આ રીતે સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં બેન્ડ વચ્ચે જરૂરી સ્થિતિઓ ઉત્પન્ન કરવા માટે જાણીતા છે. આવી અશુદ્ધિઓની સાંદ્રતામાં વધારો મધ્યવર્તી પટ્ટાને આકાર આપવાની સંભાવના તરફ દોરી જાય છે, જેમ કે Gaas મિશ્રધાતુઓમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. એક રસપ્રદ વિકલ્પ ક્વોન્ટમ ડોટ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ છે. સૌર કોષને ક્વોન્ટમ ડોટ માળખાના પ્રદેશને સમાવવા માટે ડિઝાઇન કરી શકાય છે જે ઇચ્છિત મર્યાદિત સ્થિતિને પ્રેરિત કરે છે. 2001 માં, માર્ટી એટ અલ. અડધા ભરેલા પટ્ટાની સ્થિતિને પહોંચી વળવા માટે એક શક્ય પદ્ધતિનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. હજુ પણ સક્રિય સંશોધન છે કે કઈ સામગ્રી આવી ઇચ્છિત લાક્ષણિકતાઓ તેમજ આવી સામગ્રીનું સંશ્લેષણ દર્શાવે છે. આઈ. બી. એસ. સી. ઉપકરણની મૂળભૂત કામગીરી સૌપ્રથમ માર્ટી એટ અલ દ્વારા ફોટોક્રન્ટના ઉત્પાદનમાં અસરકારક સાબિત થઈ હતી. 2006 માં. સામગ્રી અર્ધચાલક સામગ્રી એ હકીકતને કારણે એટલી સુસંગત છે કે સ્ફટિક માળખામાં અશુદ્ધિઓ ("ડોપિંગ") દાખલ કરીને તેમના વાહક ગુણધર્મોને ઉપયોગી રીતે બદલી શકાય છે. જ્યાં એક જ સ્ફટિકમાં બે અલગ-અલગ ડોપ્ડ પ્રદેશો અસ્તિત્વ ધરાવે છે, ત્યાં સેમિકન્ડક્ટર જંકશન બનાવવામાં આવે છે. આ જંકશનનો વિકાસ એ ડાયોડ, ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને તમામ આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સનો આધાર છે. સેમિકન્ડક્ટર્સના ઉદાહરણો સિલિકોન, જર્મેનિયમ, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ છે. સિલિકોન પછી, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ એ બીજો સૌથી સામાન્ય સેમિકન્ડક્ટર છે. મજબૂત સિલિકોન ઉત્પાદન માળખાનો લાભ લઈને ઓછા ખર્ચે ફોટોનિક ઉપકરણો બનાવવાની ઇચ્છાને કારણે 1980 ના દાયકાના અંતમાં અને 1990 ના દાયકાની શરૂઆતમાં સોરેફ અને પીટરમેનના અગ્રણી કાર્યોથી સિલિકોન (સી) સિલિકોન ફોટોનિક્સનો વ્યાપક અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. સિલિકોન વેફર્સ સૌથી ઓછી કિંમત (એકમ વિસ્તાર દીઠ) ધરાવે છે અને કોઈપણ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની સૌથી વધુ સ્ફટિક ગુણવત્તા ધરાવે છે. જો કે, સિલિકોન ફોટોનિક્સ માટેનો કેસ વધુ મજબૂત છે. સિલિકોનમાં ઉત્તમ ભૌતિક ગુણધર્મો છે જે ફોટોનિક ઉપકરણોમાં મહત્વપૂર્ણ છેઃ ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (જી. એ. એ. કરતા ~ 10 × વધુ), ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ નુકસાન થ્રેશોલ્ડ (જી. એ. એ. કરતા ~ 10 × વધુ), ઉચ્ચ ત્રીજા ક્રમની ઓપ્ટિકલ બિનરેખીયતા આ છેલ્લો મુદ્દો વાસ્તવમાં ટી. પી. પી. અસરની તપાસ માટે જરૂરી છે. સિલિકોન (n = 3.45) અને SiO2 (n = 1.45) વચ્ચેનો ઉચ્ચ અનુક્રમણિકા વિરોધાભાસ ફોટોનિક ઉપકરણોને સેંકડો નેનોમીટર સ્તર સુધી માપવાનું શક્ય બનાવે છે. IC પ્રક્રિયા સાથે સાચી સુસંગતતા માટે આવા બાજુની અને ઊભી પરિમાણો જરૂરી છે. વધુમાં, મોટા અનુક્રમણિકા વિરોધાભાસ (Si અને SiO2 વચ્ચે) થી ઉત્પન્ન થતી ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ તીવ્રતા ચિપ-સ્કેલ ઉપકરણોમાં રમન અને કેર અસરો જેવી બિનરેખીય ઓપ્ટિકલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું નિરીક્ષણ કરવાનું શક્ય બનાવે છે. આ કારણોસર, સિલિકોનનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પરંપરાગત ફોટોવોલ્ટેઇક અસર માટે સામગ્રી તરીકે થાય છે. શોકલી-ક્વિઝર મર્યાદાને કારણે તે જાણીતું છે કે એક પી. એન. જંકશન ફોટોવોલ્ટેઇક સેલ મહત્તમ સૌર રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા 1.34eV ના બેન્ડગેપ માટે 33.7% ની આસપાસ છે. જો કે, સિલિકોન પાસે 1.1eV નો બેન્ડગેપ છે, જે 32 ટકાની કાર્યક્ષમતાને અનુરૂપ છે. જો કે, ટી. પી. પી. અસર માટે (7) માં વ્યાખ્યાયિત સંગ્રહ કાર્યક્ષમતાના પરિણામોને આકૃતિ 4 માં વિવિધ પંપ તીવ્રતા સાથે વોલ્ટેજના કાર્ય તરીકે દર્શાવવામાં આવ્યા છે. એક સારો કરાર આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. 4 પ્રાયોગિક, વિશ્લેષણાત્મક અને આંકડાકીય સિમ્યુલેટેડ મોડેલોમાંથી. નીચા ઊંચા પંપ માટે આશરે 43 ટકાની સંગ્રહ કાર્યક્ષમતા દર્શાવવા માટે ડેટાનું પ્રક્ષેપણ કરી શકાય છે, જે ખરેખર 50 ટકામાં નિર્ધારિત સૈદ્ધાંતિક મર્યાદા સુધી પહોંચે છે. જો કે, ઉચ્ચ પંપ તીવ્રતા માટે બરાબર સમાન નથી. સંગ્રહ કાર્યક્ષમતાની આ મર્યાદા લગભગ 5.5 ટકાની પ્રમાણમાં ઓછી અંતર્ગત કાર્યદક્ષતા તરફ દોરી જાય છે. બીટામાં સુધારો કરનારા કોઈપણ કલ્પનીય માધ્યમો વર્તમાન અભિગમની શક્તિ કાર્યક્ષમતામાં વધારો કરી શકે છે અને ટૂંકા તરંગલંબાઇ વધવા પર એફસીએ ઓછું હોય છે. આ બે અસરોને જોડીને TPP અસરની આગાહી પર ઉચ્ચ મર્યાદા કાર્યક્ષમતામાં અનુવાદિત કરી શકાય છે. ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (જી. એ. એ. એસ.) ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (જી. એ. એ. એસ.) એ ઊંચી કિંમતના, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા સૌર કોષો માટે એક મહત્વપૂર્ણ અર્ધચાલક સામગ્રી છે અને તેનો ઉપયોગ સિંગલ-સ્ફટિકીય પાતળા-ફિલ્મ સૌર કોષો તેમજ મલ્ટી-જંકશન સૌર કોષો માટે થાય છે. ટી. પી. એ. માં ગુમાવેલા દરેક બે ફોટોન સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં એક ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી ઉત્પન્ન કરે છે અને આ ફોટોજનરેટેડ વાહકો બે ચોક્કસ તરંગલંબાઇ () માટે આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે વિદ્યુત શક્તિમાં ફોટોવોલ્ટેઇક રૂપાંતર માટે ઉપલબ્ધ છે. ટી. પી. એ. ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (જી. એ. એ.) માં પ્રાયોગિક રીતે જોવા મળ્યું છે અને તેનો ગુણાંક, β, જે જી. એ. એ. માં 1.3 માઈક્રોન પર ગણવામાં આવે છે તે 42.5 સે. મી./જી. ડબલ્યુ. (સિલિકોનઃ 3.3 સે. મી./જી. ડબલ્યુ. કરતા ઘણો વધારે) છે. વધુમાં, 1.55 માઇક્રોનની દૂરસંચાર તરંગલંબાઇ પર, β સિલિકોનમાં 0.7 સે. મી./જીડબલ્યુની સરખામણીમાં જીએએમાં લગભગ 15 સે. મી./જીડબલ્યુ હોવાનું નોંધાયું છે. આમ, જી. એ. એ. માં ટી. પી. પી. અસર વધુ મજબૂત થવાની અપેક્ષા છે. સૈદ્ધાંતિક વિશ્લેષણ સાથે સરખામણી કરવા માટે પ્રાયોગિક માહિતી મેળવવા માટે, આકૃતિ 6 સમજાવે છે કે પી-આઈ-એન જંકશન ડાયોડનો ઉપયોગ કરીને સિંગલ-મોડ જીએએએસ/એલજીએએસ વેવગાઇડમાં ટી. પી. પી. કેવી રીતે પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. શોકલી-રીડ-હોલ પુનઃસંયોજનને આ સ્થિતિમાં ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે, એમ ધારીને કે ટ્રેપ ઊર્જા સ્તર બેન્ડગેપની મધ્યમાં સ્થિત છે. ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ બલ્ક પુનઃસંયોજન જીવનકાળ, અને, બલ્ક GaAs 10−8 s ના ક્રમમાં હોય છે, જે બલ્ક સિલિકોન કરતા લગભગ 2 ક્રમ નાના હોય છે. સપાટીનું પુનઃસંયોજન ટી. પી. પી. અસરની શક્તિ કાર્યક્ષમતાને ઘટાડે છે કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો સંપર્કો પર એકત્રિત થાય તે પહેલાં ફરીથી જોડાય છે. મોટા β ને કારણે TPP અસર 976 nm પર વધુ કાર્યક્ષમ છે. 5 સે. મી. લાંબા 150 મેગાવોટ પાવર કાર્યક્ષમતા ધરાવતા ઉપકરણ માટે સૈદ્ધાંતિક રીતે 8 ટકા સુધીની આગાહી કરવામાં આવી છે જે સિલિકોનમાં પ્રાપ્ત કરી શકાય તે કરતાં વધારે છે. સંભવિત ઉપયોગો બે-ફોટોન ફોટોવોલ્ટેઇક અસરનો સંભવિત ઉપયોગ એ નિર્ણાયક વાતાવરણમાં સ્થાપિત ભૌતિક સેન્સરને દૂરસ્થ પાવર ડિલિવરી છે જ્યાં વિદ્યુત સ્પાર્ક્સ જોખમી હોય છે અને તાંબાના કેબલને ટાળવા જોઈએ. સંદર્ભો વિદ્યુત ઘટના ઊર્જા રૂપાંતરણ