Two-photon photovoltaic effect
टू-फोटॉन फोटोवोल्टिक प्रभाव (टी. पी. पी. प्रभाव) टू-फोटॉन अवशोषण (टी. पी. ए.) पर आधारित एक ऊर्जा संग्रह विधि है। टी. पी. पी. प्रभाव को उच्च प्रकाशिक तीव्रता वाले पारंपरिक फोटोवोल्टिक प्रभाव के अरैखिक समतुल्य के रूप में सोचा जा सकता है। यह प्रभाव तब होता है जब दो फोटॉन एक ही समय में अवशोषित हो जाते हैं जिसके परिणामस्वरूप एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी बनती है। पृष्ठभूमि टी. पी. ए. आम तौर पर कम प्रकाश तीव्रता पर रैखिक अवशोषण की तुलना में कमजोर परिमाण के कई क्रम होते हैं। यह रैखिक अवशोषण से अलग है क्योंकि टी. पी. ए. के कारण ऑप्टिकल संक्रमण दर प्रकाश की तीव्रता के वर्ग पर निर्भर करती है, इस प्रकार यह एक अरैखिक ऑप्टिकल प्रक्रिया है और उच्च तीव्रता पर रैखिक अवशोषण पर हावी हो सकती है। इसलिए, टी. पी. ए. से बिजली का अपव्यय और परिणामस्वरूप मुक्त वाहक प्रकीर्णन अर्धचालक उपकरणों में हानिकारक समस्याएं हैं जो उच्च तीव्रता से निपटने के दौरान केर और रमन प्रभाव जैसे अरैखिक ऑप्टिकल अंतःक्रियाओं के आधार पर काम करती हैं। टी. पी. पी. प्रभाव का अध्ययन ऊर्जा दक्षता पर इस दोहरे संकट के संभावित समाधान के रूप में किया जाता है। हालांकि अतीत में इस क्षेत्र में कुछ सुधार और सैद्धांतिक जांच की गई है, लेकिन प्रभाव के ठोस अनुप्रयोग का संख्यात्मक और प्रयोगात्मक रूप से पहली बार 2006 में सिलिकॉन में बहराम जलाली और उनके सहयोगियों द्वारा विश्लेषण किया गया था। भौतिकी टी. पी. पी. प्रभाव उपकरण पार्श्व पी. एन. जंक्शन डायोड के साथ वेवगाइड पर आधारित होते हैं, जिसमें टी. पी. ए. और जेड-दिशा के साथ मुक्त-वाहक अवशोषण (एफ. सी. ए.) के कारण पंप की शक्ति गैर-रैखिक रूप से खो जाती है, जो जंक्शन x-y क्रॉस-सेक्शन के लंबवत होती है। युग्मित प्रकाशिक तीव्रता निम्नलिखित समीकरण द्वारा नियंत्रित होती हैः जहाँः रैखिक अवशोषण गुणांक है; टी. पी. ए. गुणांक; और इसे एफ. सी. ए. गुणांक कहा जाता है जो सोरफ की अभिव्यक्ति द्वारा दिया जाता है। वाहक फोटोजेनरेशन दर को इस प्रकार परिभाषित किया जाता हैः फोटॉन की ऊर्जा कहाँ है और कारक इस तथ्य के कारण है कि इस प्रक्रिया में दो फोटॉन शामिल हैं। प्रति इकाई लंबाई में फोटोक्रेंटः, जहाँ वेवगाइड का प्रभावी क्षेत्र है और इलेक्ट्रॉन चार्ज है। लंबाई के वेवगाइड के लिए, हम युग्मित पंप की तीव्रता के रूप में परिभाषित करते हैं। इसलिए, हम निम्नलिखित अभिव्यक्ति प्राप्त करते हैंः इस अंतिम अभिव्यक्ति को प्रभावी लंबाई कहा जाता है जो ऑप्टिकल फाइबर में परिभाषित अंतःक्रिया लंबाई के गैर-रैखिक समकक्ष है। कुल धारा में वाहक इंजेक्शन और पुनर्संयोजन में योगदान पर भी विचार करने की आवश्यकता है ताकि कुल फोटोडायोड धारा को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकेः शॉकली समीकरण एक आदर्श डायोड की आई-वी (वर्तमान-वोल्टेज) विशेषता देता हैः के मूल्य को रिवर्स बायस संतृप्ति धारा कहा जाता है और इसे इस प्रकार परिभाषित किया जाता हैः चित्र में कहाँ और कहाँ परिभाषित किया गया है। 1 और शेष मापदंडों का सामान्य अर्थ संदर्भ सेज़ के अर्धचालक उपकरणों के भौतिकी में परिभाषित किया गया है। शॉकली समीकरण मान्य है क्योंकि एन और पी डोप्ड क्षेत्रों में फोटोजेनरेशन पी-एन डायोड में नगण्य है। यह पारंपरिक सौर कोशिका सिद्धांत के विपरीत है, जहां फोटोजेनरेशन मुख्य रूप से एन और पी डोप्ड क्षेत्रों में होता है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 2. पिन संरचना (चित्र 2) के कारण हमें पुनर्संयोजन धारा को ध्यान में रखना होगा जिसे हम शॉकले-रीड-हॉल पुनर्संयोजन द्वारा अनुमानित करते हैंः जहां Fig.1 में परिभाषित किया गया है, प्रभावी वाहक घनत्व है और और क्रमशः इलेक्ट्रॉन और छेद बल्क पुनर्संयोजन जीवनकाल हैं। एक परिपथ में, बिजली अपव्यय उस दर को संदर्भित करता है जिस पर प्रतिरोधी तत्वों के कारण ऊर्जा खो जाती है और पारंपरिक रूप से इसे निम्नानुसार परिभाषित किया जाता हैः अब हम संग्रह दक्षता को परिभाषित करते हैं, जो टी. पी. ए. द्वारा खपत किए जाने वाले वाहकों/फोटॉनों की संख्या हैः यह प्रवर्धक और तरंग दैर्ध्य परिवर्तक जैसे उपकरणों के लिए उपयुक्त है जहां ऊर्जा संचयन एक उपयोगी उपोत्पाद है लेकिन स्वयं उपकरण की मुख्य कार्यक्षमता नहीं है। यदि टी. पी. पी. प्रभाव का उपयोग फोटोवोल्टिक सेल में किया जाना है, तो बिजली दक्षता पर विचार किया जाना चाहिए। सबसे पहले, बाहरी क्वांटम दक्षता इस प्रकार दी जाती है, जहां प्रकाश की वेवगाइड में युग्मन दक्षता को संदर्भित किया जाता है और जिसे अनुमानित किया जा सकता हैः अंत में, बिजली दक्षता इस प्रकार दी जाती हैः मध्यवर्ती बैंड पारंपरिक सौर कोशिकाएं अर्धचालक के संयोजकता (वी. बी.) और चालन बैंड (सी. बी.) के बीच एक-फोटॉन संक्रमण पर निर्भर करती हैं। बैंडगैप में एक मध्यवर्ती अवस्था के उपयोग का वर्णन पहली बार 1997 में लुके और मार्टी द्वारा किया गया था। उन्होंने दिखाया कि एक सौर सेल के बैंड आरेख में एक मध्यवर्ती स्तर को जोड़ने के साथ, सैद्धांतिक दक्षता सीमा को शॉकले-क्यूइसर मॉडल से काफी आगे तक बढ़ाया जा सकता है। यह सुधार उप-बैंडगैप फोटॉनों को पकड़ने के माध्यम से संभव है। एक मध्यवर्ती बैंड की उपस्थिति ऐसे फोटॉनों के अवशोषण की अनुमति देगी जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े पैदा होंगे, जो प्रत्यक्ष ऑप्टिकल संक्रमणों द्वारा बनाए गए फोटॉनों को जोड़ेंगे। दो स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन उत्तेजनाओं में, फोटॉन को संयोजकता (वी. बी.) से मध्यवर्ती बैंड (आई. बी.) और मध्यवर्ती (आई. बी.) से चालन बैंड (वी. बी.) में संक्रमण के साथ अवशोषित किया जाता है। इष्टतम परिणाम प्राप्त करने के लिए, किसी भी उपकरण और प्रक्रियाओं को आदर्श माना जाता है क्योंकि संबंधित स्थितियों में अनंत वाहक गतिशीलता, वांछित फोटॉन का पूर्ण अवशोषण, इलेक्ट्रॉनों को दान करने और प्राप्त करने दोनों के लिए आईबी का आंशिक भरने और आईबी से धारा निकालने की कोई संभावना नहीं है। इस ढांचे के भीतर, एक मध्यवर्ती-बैंड सौर सेल (IBSC) की सीमित दक्षता की गणना 63.1% की गई है। एक मध्यवर्ती पट्टी की उपस्थिति कई तकनीकों का परिणाम हो सकती है, लेकिन विशेष रूप से क्रिस्टल संरचना में अशुद्धियों की शुरुआत का। कई दुर्लभ-पृथ्वी तत्व इस तरह से अर्धचालक सामग्री में बैंड के बीच आवश्यक अवस्थाओं का उत्पादन करने के लिए जाने जाते हैं। इस तरह की अशुद्धियों की सांद्रता बढ़ाने से एक मध्यवर्ती पट्टी को आकार देने की संभावना होती है, जैसा कि जी. ए. ए. मिश्र धातुओं में दिखाया गया है। एक दिलचस्प विकल्प क्वांटम डॉट प्रौद्योगिकी का उपयोग है। एक सौर सेल को एक क्वांटम डॉट संरचना के एक क्षेत्र को शामिल करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है जो वांछित सीमित स्थिति को प्रेरित करता है। 2001 में, मार्टी एट अल। आधे भरे हुए बैंड की स्थिति को पूरा करने के लिए एक व्यवहार्य विधि का प्रस्ताव रखा। अभी भी सक्रिय शोध है कि कौन सी सामग्री ऐसी वांछित विशेषताओं के साथ-साथ ऐसी सामग्री के संश्लेषण को प्रदर्शित करती है। एक आई. बी. एस. सी. उपकरण की बुनियादी कार्यप्रणाली पहली बार मार्टी एट अल द्वारा एक फोटोक्रेंट के उत्पादन में प्रभावी साबित हुई थी। 2006 में। सामग्री अर्धचालक सामग्री इस तथ्य के कारण इतनी प्रासंगिक है कि क्रिस्टल संरचना में अशुद्धियों ("डोपिंग") को पेश करके उनके संचालन गुणों को उपयोगी तरीकों से बदला जा सकता है। जहाँ एक ही क्रिस्टल में दो अलग-अलग डोप्ड क्षेत्र मौजूद होते हैं, वहाँ एक अर्धचालक जंक्शन बनाया जाता है। इन जंक्शनों का विकास डायोड, ट्रांजिस्टर और सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार है। अर्धचालकों के उदाहरण सिलिकॉन, जर्मेनियम, गैलियम आर्सेनाइड हैं। सिलिकॉन के बाद, गैलियम आर्सेनाइड दूसरा सबसे आम अर्धचालक है। सिलिकॉन (सी) सिलिकॉन फोटोनिक्स का व्यापक रूप से अध्ययन 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक की शुरुआत में सोरफ और पीटरमैन के अग्रणी कार्यों के बाद से किया गया है क्योंकि मजबूत सिलिकॉन निर्माण बुनियादी ढांचे का लाभ उठाकर कम लागत वाले फोटोनिक उपकरण बनाने की इच्छा है। सिलिकॉन वेफर्स में सबसे कम लागत (प्रति इकाई क्षेत्र) और किसी भी अर्धचालक सामग्री की उच्चतम क्रिस्टल गुणवत्ता होती है। हालांकि, सिलिकॉन फोटोनिक्स का मामला और भी मजबूत है। सिलिकॉन में उत्कृष्ट सामग्री गुण हैं जो फोटोनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण हैंः उच्च तापीय चालकता (जी. ए. ए. की तुलना में ~ 10 × अधिक), उच्च ऑप्टिकल क्षति सीमा (जी. ए. ए. की तुलना में ~ 10 × अधिक), उच्च तृतीय-क्रम ऑप्टिकल गैर-रैखिकता यह अंतिम बिंदु वास्तव में टी. पी. पी. प्रभाव की जांच के लिए आवश्यक है। सिलिकॉन (n = 3.45) और SiO2 (n = 1.45) के बीच उच्च सूचकांक अंतर फोटोनिक उपकरणों को सैकड़ों नैनोमीटर स्तर तक मापना संभव बनाता है। आईसी प्रसंस्करण के साथ सही संगतता के लिए इस तरह के पार्श्व और ऊर्ध्वाधर आयामों की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, बड़े सूचकांक कंट्रास्ट (Si और SiO2 के बीच) से उत्पन्न होने वाली उच्च ऑप्टिकल तीव्रता चिप-स्केल उपकरणों में रमन और केर प्रभाव जैसे गैर-रैखिक ऑप्टिकल इंटरैक्शन का निरीक्षण करना संभव बनाती है। इन कारणों से, सिलिकॉन का उपयोग आमतौर पर पारंपरिक फोटोवोल्टिक प्रभाव के लिए सामग्री के रूप में किया जाता है। शॉकले-क्यूइसर सीमा के कारण यह ज्ञात है कि एक एकल पीएन जंक्शन फोटोवोल्टिक सेल अधिकतम सौर रूपांतरण दक्षता 1.34eV के बैंडगैप के लिए लगभग 33.7% है। हालाँकि, सिलिकॉन का बैंडगैप 1.1eV है, जो 32 प्रतिशत की दक्षता के अनुरूप है। हालांकि, टी. पी. पी. प्रभाव के लिए (7) में परिभाषित संग्रह दक्षता के परिणामों को चित्र 4 में विभिन्न पंप तीव्रताओं के साथ वोल्टेज के कार्य के रूप में दर्शाया गया है। एक अच्छा समझौता चित्र में दिखाया गया है। 4 प्रयोगात्मक, विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक अनुकरण मॉडल में से। कम उच्च पंपों के लिए संग्रह दक्षता लगभग 43 प्रतिशत दिखाने के लिए डेटा का एक अंतर्वेशन किया जा सकता है, जो वास्तव में 50 प्रतिशत में निर्धारित सैद्धांतिक सीमा तक पहुंचता है। हालांकि, उच्च पंप तीव्रता के लिए बिल्कुल समान नहीं है। संग्रह दक्षता की यह सीमा लगभग 5.5% की अपेक्षाकृत कम अंतर्निहित दक्षता की ओर ले जाती है। बीटा में सुधार करने वाला कोई भी कल्पना योग्य साधन वर्तमान दृष्टिकोण की शक्ति दक्षता को बढ़ा सकता है और कम तरंग दैर्ध्य बढ़ने पर एफसीए कम होता है। इन दोनों प्रभावों के संयोजन को अनुमानित टी. पी. पी. प्रभाव पर उच्च सीमा दक्षता में परिवर्तित किया जा सकता है। गैलियम आर्सेनाइड (जी. ए. ए.) गैलियम आर्सेनाइड (जी. ए. ए.) उच्च लागत, उच्च दक्षता वाली सौर कोशिकाओं के लिए एक महत्वपूर्ण अर्धचालक सामग्री है और इसका उपयोग एकल-क्रिस्टलीय पतली-फिल्म सौर कोशिकाओं के साथ-साथ बहु-संयुग्मन सौर कोशिकाओं के लिए किया जाता है। टी. पी. ए. से खोए गए प्रत्येक दो फोटॉन अर्धचालक सामग्री में एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी उत्पन्न करते हैं और ये फोटोजेनरेटेड वाहक विद्युत शक्ति में फोटोवोल्टिक रूपांतरण के लिए उपलब्ध हैं जैसा कि चित्र 5 में दो विशेष तरंग दैर्ध्य () के लिए दिखाया गया है। टी. पी. ए. को प्रायोगिक रूप से गैलियम आर्सेनाइड (जी. ए. ए.) में देखा गया है और इसका गुणांक, β, जी. ए. ए. में 1.3 माइक्रोन पर 42.5 सेमी/जी. डब्ल्यू. (सिलिकॉन की तुलना में बहुत अधिकः 3.3 सेमी/जी. डब्ल्यू.) है। इसके अलावा, 1.55 माइक्रोन की दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर, सिलिकॉन में 0.7 सेमी/जीडब्ल्यू की तुलना में जीएए में लगभग 15 सेमी/जीडब्ल्यू होने की सूचना है। इस प्रकार, जी. ए. ए. में टी. पी. पी. प्रभाव अधिक मजबूत होने की उम्मीद है। सैद्धांतिक विश्लेषण से तुलना करने के लिए प्रयोगात्मक डेटा प्राप्त करने के लिए, चित्र 6 दर्शाता है कि पी-आई-एन जंक्शन डायोड का उपयोग करके एकल-मोड जी. ए. ए./ए. एल. जी. ए. ए. वेवगाइड में टी. पी. पी. को कैसे महसूस किया जा सकता है। शॉकली-रीड-हॉल पुनर्संयोजन को इस मोड में ध्यान में रखा जाता है, यह मानते हुए कि ट्रैप ऊर्जा स्तर बैंडगैप के बीच में स्थित है। इलेक्ट्रॉन और छेद थोक पुनर्संयोजन जीवनकाल, और, थोक में जी. ए. ए. 10−8 सेकंड के क्रम के होते हैं, जो थोक सिलिकॉन की तुलना में परिमाण के लगभग 2 क्रम छोटे होते हैं। सतह पुनर्संयोजन टी. पी. पी. प्रभाव की शक्ति दक्षता को कम कर देता है क्योंकि संपर्कों पर एकत्र होने से पहले इलेक्ट्रॉन और छेद पुनर्संयोजित होते हैं। बड़ा β होने के कारण TPP प्रभाव 976 nm पर अधिक कुशल होता है। 150 मेगावाट बिजली दक्षता वाले 5 सेंटीमीटर लंबे उपकरण के लिए सैद्धांतिक रूप से 8 प्रतिशत तक की भविष्यवाणी की जाती है जो सिलिकॉन में प्राप्त करने योग्य उपकरणों की तुलना में अधिक है। संभावित अनुप्रयोग दो-फोटोन फोटोवोल्टिक प्रभाव का एक संभावित अनुप्रयोग महत्वपूर्ण वातावरण में स्थापित भौतिक सेंसरों के लिए दूरस्थ शक्ति वितरण है जहां विद्युत चिंगारी खतरनाक होती है और तांबे के तारों से बचा जाना चाहिए। संदर्भ विद्युत परिघटना ऊर्जा रूपांतरण