Two-photon photovoltaic effect
دو فوٹون فوٹو وولٹک اثر (ٹی پی پی اثر) دو فوٹون جذب (ٹی پی اے) پر مبنی توانائی جمع کرنے کا ایک طریقہ ہے۔ ٹی پی پی اثر کو روایتی فوٹو وولٹک اثر کے غیر لکیری مساوی کے طور پر سوچا جا سکتا ہے جس میں اعلی نظری شدت شامل ہوتی ہے۔ یہ اثر اس وقت ہوتا ہے جب ایک ہی وقت میں دو فوٹون جذب ہو جاتے ہیں جس کے نتیجے میں الیکٹران ہول جوڑا بنتا ہے۔ پس منظر ٹی پی اے عام طور پر کم روشنی کی شدت پر لکیری جذب سے کمزور شدت کے کئی آرڈر ہوتے ہیں۔ یہ لکیری جذب سے اس لحاظ سے مختلف ہے کہ ٹی پی اے کی وجہ سے نظری منتقلی کی شرح روشنی کی شدت کے مربع پر منحصر ہوتی ہے، اس طرح یہ ایک غیر لکیری نظری عمل ہے اور زیادہ شدت پر لکیری جذب پر حاوی ہو سکتا ہے۔ لہذا، ٹی پی اے سے بجلی کی کھپت اور اس کے نتیجے میں آزاد کیریئر بکھرنا سیمی کنڈکٹر آلات میں نقصان دہ مسائل ہیں جو اعلی شدت سے نمٹنے کے دوران غیر لکیری نظری تعاملات جیسے کیر اور رمن اثرات کی بنیاد پر کام کرتے ہیں۔ ٹی پی پی اثر کا مطالعہ توانائی کی کارکردگی پر اس دوہرے بحران کے ممکنہ حل کے طور پر کیا جاتا ہے۔ اگرچہ ماضی میں اس میدان میں کچھ بہتری اور نظریاتی تحقیقات کی گئی ہیں، لیکن اس اثر کے ٹھوس اطلاق کا عددی اور تجرباتی تجزیہ پہلی بار بہارم جلالی اور ان کے ساتھیوں نے 2006 میں سلیکن میں کیا تھا۔ فزکس ٹی پی پی ایفیکٹ ڈیوائسز لیٹرل پی این جنکشن ڈایڈس کے ساتھ ویو گائیڈز پر مبنی ہوتے ہیں، جس میں ٹی پی اے کی وجہ سے پمپ کی طاقت غیر لکیری طور پر ختم ہو جاتی ہے اور زیڈ سمت کے ساتھ فری کیریئر جذب (ایف سی اے)، جنکشن x-y کراس سیکشن پر عمودی ہوتا ہے۔ جوڑی ہوئی نظری شدت مندرجہ ذیل مساوات کے ذریعے کنٹرول کی جاتی ہے: جہاں: لکیری جذب گتانک ہے ؛ ٹی پی اے گتانک ؛ اور اسے ایف سی اے گتانک کہا جاتا ہے جو سورف کے اظہار سے دیا جاتا ہے۔ کیریئر فوٹو جنریشن کی شرح کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے: جہاں فوٹون کی توانائی ہے اور عنصر اس حقیقت کی وجہ سے ہے کہ اس عمل میں دو فوٹون شامل ہیں۔ فوٹو کرنٹ فی یونٹ لمبائی:، جہاں ویو گائیڈ کا موثر رقبہ ہے اور الیکٹران چارج ہے۔ لمبائی کے ویو گائیڈ کے لیے، ہمارے پاس ہے ہم جوڑے ہوئے پمپ کی شدت کے طور پر بیان کرتے ہیں۔ لہذا، ہم مندرجہ ذیل اظہار حاصل کرتے ہیں: اس آخری اظہار کو موثر لمبائی کہا جاتا ہے جو نظری ریشوں میں بیان کردہ تعامل کی لمبائی کے برابر غیر لکیری ہے۔ کیریئر انجکشن میں شراکت اور کل کرنٹ میں دوبارہ ملاپ پر بھی غور کرنے کی ضرورت ہے تاکہ کل فوٹوڈیوڈ کرنٹ کا اظہار اس طرح کیا جائے: شاکلی مساوات ایک مثالی ڈایڈڈ کی خصوصیت I-V (کرنٹ-وولٹیج) دیتی ہے: کی قیمت کو ریورس بائیس سیچوریشن کرنٹ کہا جاتا ہے اور اس کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے: جہاں اور شکل میں بیان کیا گیا ہے۔ 1 اور بقیہ پیرامیٹرز کے معمول کے معنی ہیں جن کی وضاحت سیزی کی فزکس آف سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز میں کی گئی ہے۔ شاکلی مساوات درست ہے کیونکہ پی-این ڈایڈڈ میں این اور پی ڈوپڈ علاقوں میں فوٹو جنریشن نہ ہونے کے برابر ہے۔ یہ روایتی شمسی خلیے کے نظریہ سے متصادم ہے، جہاں فوٹو جنریشن بنیادی طور پر این اور پی ڈوپڈ علاقوں میں ہوتا ہے جیسا کہ شکل میں دکھایا گیا ہے۔ 2. پن ڈھانچے (شکل 2) کی وجہ سے ہمیں ریکومبینیشن کرنٹ کو مدنظر رکھنا ہوگا جس کا تخمینہ ہم شاکلی-ریڈ-ہال ریکومبینیشن کے ذریعہ دیتے ہیں: جہاں Fig.1 میں بیان کیا گیا ہے، موثر کیریئر کثافت ہے اور الیکٹران اور ہول بلک ریکومبینیشن لائف ٹائمز ہیں، بالترتیب۔ سرکٹ میں، بجلی کی کھپت سے مراد وہ شرح ہے جس پر مزاحم عناصر کی وجہ سے توانائی ضائع ہوتی ہے اور روایتی طور پر اس کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے: اب ہم کلیکشن ایفیشنسی کی وضاحت کرتے ہیں، جو کہ ٹی پی اے کے ذریعے استعمال ہونے والے کیریئرز/فوٹونز کی تعداد ہے: یہ ایمپلیفائرز اور ویو لینتھ کنورٹرز جیسے آلات کے لیے موزوں ہے جہاں توانائی کی کٹائی ایک مفید ضمنی مصنوع ہے لیکن خود آلہ کی بنیادی فعالیت نہیں ہے۔ اگر ٹی پی پی اثر کا مقصد فوٹو وولٹک سیل میں استعمال کرنا ہے، تو پھر بجلی کی کارکردگی پر غور کیا جانا چاہیے۔ سب سے پہلے، بیرونی کوانٹم کی کارکردگی اس طرح دی جاتی ہے، جہاں روشنی کو ویو گائیڈ میں جوڑنے کی کارکردگی سے مراد ہے اور جس کا تخمینہ لگایا جا سکتا ہے: آخر میں، بجلی کی کارکردگی اس طرح دی جاتی ہے: انٹرمیڈیٹ بینڈ روایتی شمسی خلیات سیمی کنڈکٹر کے ویلینس (وی بی) اور کنڈکشن بینڈ (سی بی) کے درمیان ایک فوٹون منتقلی پر انحصار کرتے ہیں۔ بینڈ گیپ میں انٹرمیڈیٹ اسٹیٹ کے استعمال کو پہلی بار 1997 میں لیوک اور مارٹی نے بیان کیا تھا۔ انہوں نے دکھایا کہ شمسی خلیے کے بینڈ خاکہ میں درمیانی سطح کے اضافے کے ساتھ، نظریاتی کارکردگی کی حد کو شاکلی-کوئسر ماڈل سے بہت آگے تک بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ یہ بہتری ذیلی بینڈ گیپ فوٹونوں کی گرفتاری کے ذریعے ممکن ہے۔ انٹرمیڈیٹ بینڈ کی موجودگی اس طرح کے فوٹونوں کو جذب کرنے کی اجازت دے گی جس کے نتیجے میں الیکٹران سوراخ کے جوڑے پیدا ہوں گے، جو براہ راست نظری منتقلی کے ذریعے پیدا ہونے والوں میں اضافہ کریں گے۔ دو آزاد الیکٹران محرکات میں، فوٹون ویلینس (وی بی) سے انٹرمیڈیٹ بینڈ (آئی بی) اور انٹرمیڈیٹ (آئی بی) سے کنڈکشن بینڈ (وی بی) میں منتقلی کے ساتھ جذب ہوتے ہیں۔ زیادہ سے زیادہ نتائج حاصل کرنے کے لیے، کسی بھی ڈیوائس اور عمل کو مثالی سمجھا جاتا ہے کیونکہ متعلقہ حالات میں لامحدود کیریئر کی نقل و حرکت، مطلوبہ فوٹونوں کا مکمل جذب، الیکٹرانوں کو عطیہ کرنے اور وصول کرنے دونوں کے لیے آئی بی کا جزوی بھرنا اور آئی بی سے کرنٹ نکالنے کا کوئی امکان شامل نہیں ہے۔ اس فریم ورک کے اندر، انٹرمیڈیٹ بینڈ سولر سیل (آئی بی ایس سی) کی محدود کارکردگی کا حساب 63.1% لگایا گیا ہے۔ انٹرمیڈیٹ بینڈ کی موجودگی کئی تکنیکوں کا نتیجہ ہو سکتی ہے، لیکن خاص طور پر کرسٹل ڈھانچے میں نجاست کے تعارف کا۔ متعدد نایاب زمین کے عناصر اس طرح سیمی کنڈکٹر مواد میں بینڈوں کے درمیان مطلوبہ حالتیں پیدا کرنے کے لیے جانے جاتے ہیں۔ اس طرح کی نجاستوں کے ارتکاز میں اضافہ انٹرمیڈیٹ بینڈ کی تشکیل کے امکان کا باعث بنتا ہے، جیسا کہ Gaas مرکب دھاتوں میں دکھایا گیا ہے۔ ایک دلچسپ متبادل کوانٹم ڈاٹ ٹیکنالوجی کا استعمال ہے۔ شمسی خلیے کو کوانٹم ڈاٹ ڈھانچے کے علاقے کو شامل کرنے کے لیے ڈیزائن کیا جا سکتا ہے جو مطلوبہ محدود حالت کو جنم دیتا ہے۔ 2001 میں، مارٹی اور دیگر۔ آدھے بھرے بینڈ کی شرط کو پورا کرنے کے لیے ایک قابل عمل طریقہ تجویز کیا۔ اب بھی فعال تحقیق موجود ہے کہ کون سے مواد اس طرح کی مطلوبہ خصوصیات کے ساتھ ساتھ اس طرح کے مواد کی ترکیب کا مظاہرہ کرتے ہیں۔ آئی بی ایس سی ڈیوائس کے بنیادی کام سب سے پہلے مارٹی اور دیگر کے ذریعہ فوٹو کرنٹ کی تیاری میں موثر ثابت ہوئے۔ 2006 میں۔ مواد سیمی کنڈکٹر مواد اس حقیقت کی وجہ سے اتنے متعلقہ ہیں کہ ان کی چلنے والی خصوصیات کو کرسٹل ڈھانچے میں نجاست ("ڈوپنگ") متعارف کروا کر مفید طریقوں سے تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ جہاں ایک ہی کرسٹل میں دو مختلف ڈوپڈ علاقے موجود ہوتے ہیں، ایک سیمی کنڈکٹر جنکشن بنتا ہے۔ ان جنکشنوں کی ترقی ڈایڈس، ٹرانجسٹرز اور تمام جدید الیکٹرانکس کی بنیاد ہے۔ سیمی کنڈکٹرز کی مثالیں سلکان، جرمینیئم، گیلیم آرسینائڈ ہیں۔ سلکان کے بعد گیلیئم آرسینائڈ دوسرا سب سے عام سیمی کنڈکٹر ہے۔ مضبوط سلکان مینوفیکچرنگ انفراسٹرکچر سے فائدہ اٹھاتے ہوئے کم لاگت والے فوٹوونک آلات بنانے کی خواہش کی وجہ سے 1980 کی دہائی کے آخر اور 1990 کی دہائی کے اوائل میں سوریف اور پیٹرمین کے اہم کاموں کے بعد سے سلیکن (سی) فوٹوونکس کا وسیع پیمانے پر مطالعہ کیا گیا ہے۔ سلیکن ویفرز میں سب سے کم قیمت (فی یونٹ ایریا) اور کسی بھی سیمی کنڈکٹر مواد کا سب سے زیادہ کرسٹل معیار ہوتا ہے۔ تاہم، سلکان فوٹوونکس کا معاملہ اور بھی مضبوط ہے۔ سلیکن میں بہترین مادی خصوصیات ہیں جو فوٹوونک آلات میں اہم ہیں: اعلی تھرمل چالکتا (GaAs سے ~ 10 × زیادہ)، اعلی نظری نقصان کی حد (GaAs سے ~ 10 × زیادہ)، اعلی تیسرے درجے کی نظری غیر لکیریتیں یہ آخری نقطہ دراصل TPP اثر کے معائنے کے لیے ضروری ہے۔ سلکان (n = 3.45) اور SiO2 (n = 1.45) کے درمیان اعلی انڈیکس کا تضاد فوٹوونک آلات کو سینکڑوں نینومیٹر کی سطح تک پیمائش کرنا ممکن بناتا ہے۔ آئی سی پروسیسنگ کے ساتھ حقیقی مطابقت کے لیے اس طرح کے پس منظر اور عمودی طول و عرض کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ، بڑے انڈیکس کے برعکس (سی اور سی او او 2 کے درمیان) سے پیدا ہونے والی اعلی نظری شدت چپ پیمانے کے آلات میں غیر لکیری نظری تعاملات، جیسے رمن اور کیر اثرات کا مشاہدہ کرنا ممکن بناتی ہے۔ ان وجوہات کی بناء پر، سلیکن کو عام طور پر روایتی فوٹو وولٹک اثر کے لیے مواد کے طور پر استعمال کیا جاتا رہا ہے۔ شاکلی-کوئسر کی حد کی وجہ سے یہ معلوم ہوتا ہے کہ ایک واحد پی-این جنکشن فوٹو وولٹک سیل کی زیادہ سے زیادہ شمسی تبدیلی کی کارکردگی 1.34eV کے بینڈ گیپ کے لیے تقریبا 33.7% ہوتی ہے۔ تاہم، سلیکن کا بینڈ گیپ 1.1eV ہے، جو 32 فیصد کی کارکردگی کے مطابق ہے۔ تاہم، ٹی پی پی اثر کے لیے (7) میں بیان کردہ جمع کرنے کی کارکردگی کے نتائج کو شکل 4 میں مختلف پمپ کی شدت کے ساتھ وولٹیج کے فنکشن کے طور پر پلاٹ کیا گیا ہے۔ ایک اچھا معاہدہ شکل میں دکھایا گیا ہے۔ 4 تجرباتی، تجزیاتی اور عددی مصنوعی ماڈلز میں سے۔ کم اونچے پمپوں میں جمع کرنے کی کارکردگی تقریبا 43 فیصد ظاہر کرنے کے لیے اعداد و شمار کی ایک انٹرپولیشن کی جا سکتی ہے، جو واقعی 50 فیصد میں مقرر نظریاتی حد تک پہنچ جاتی ہے۔ تاہم، اعلی پمپ کی شدت کے لیے بالکل ایک جیسا نہیں ہے۔ جمع کرنے کی کارکردگی کی یہ حد تقریبا 5.5 ٪ کی نسبتا کم موروثی کارکردگی کا باعث بنتی ہے۔ کوئی بھی قابل تصور ذریعہ جو بیٹا کو بہتر بناتا ہے وہ موجودہ نقطہ نظر کی طاقت کی کارکردگی کو بڑھا سکتا ہے اور کم طول موج میں اضافے پر ایف سی اے کم ہوتا ہے۔ ان دونوں اثرات کو یکجا کرنے سے پیش گوئی شدہ ٹی پی پی اثر پر اعلی حد کی کارکردگی میں ترجمہ کیا جا سکتا ہے۔ گیلیم آرسینائڈ (جی اے اے) گیلیم آرسینائڈ (جی اے اے) اعلی لاگت، اعلی کارکردگی والے شمسی خلیوں کے لیے ایک اہم سیمی کنڈکٹر مواد ہے اور یہ سنگل کرسٹل لائن پتلی فلم شمسی خلیوں کے ساتھ ساتھ ملٹی جنکشن شمسی خلیوں کے لیے بھی استعمال ہوتا ہے۔ ٹی پی اے سے گم ہونے والے ہر دو فوٹون سیمی کنڈکٹر میٹریل میں ایک الیکٹران ہول جوڑا پیدا کرتے ہیں اور یہ فوٹو جنریٹڈ کیریئرز فوٹو وولٹک کو برقی طاقت میں تبدیل کرنے کے لیے دستیاب ہیں جیسا کہ شکل 5 میں دو مخصوص طول موج () کے لیے دکھایا گیا ہے۔ ٹی پی اے کا مشاہدہ تجرباتی طور پر گیلیئم آرسینائڈ (جی اے اے) میں کیا گیا ہے اور اس کا گتانک، β، جو جی اے اے میں 1.3 مائیکرو میٹر پر شمار کیا جاتا ہے، 42.5 سینٹی میٹر/جی ڈبلیو ہے (سلکان کے: 3.3 سینٹی میٹر/جی ڈبلیو سے بہت زیادہ)۔ مزید برآں، 1.5 مائیکرو میٹر کی ٹیلی کمیونیکیشن طول موج پر، β سلکان میں 0.7 سینٹی میٹر/جی ڈبلیو کے مقابلے میں جی اے اے میں تقریبا 15 سینٹی میٹر/جی ڈبلیو بتایا جاتا ہے۔ اس طرح، جی اے اے میں ٹی پی پی کا اثر زیادہ مضبوط ہونے کی توقع ہے۔ نظریاتی تجزیے سے موازنہ کرنے کے لیے تجرباتی ڈیٹا حاصل کرنے کے لیے، شکل 6 اس بات کی وضاحت کرتی ہے کہ پی-آئی-این جنکشن ڈایڈڈ کا استعمال کرتے ہوئے سنگل موڈ گااس/الگااس ویو گائیڈ میں ٹی پی پی کو کیسے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ شاکلی-ریڈ-ہال ریکومبینیشن کو اس موڈ میں مدنظر رکھا جاتا ہے، یہ فرض کرتے ہوئے کہ ٹریپ انرجی کی سطح بینڈ گیپ کے وسط میں واقع ہے۔ الیکٹران اور ہول بلک ریکومبینیشن لائف ٹائمز، اور، بلک میں GaAs 10−8 سیکنڈ کی ترتیب کے ہوتے ہیں، بلک سلکان کے مقابلے میں شدت کے تقریبا 2 آرڈر چھوٹے ہوتے ہیں۔ سطح کا دوبارہ ملاپ ٹی پی پی اثر کی طاقت کی کارکردگی کو کم کرتا ہے کیونکہ الیکٹرانوں اور سوراخوں کو رابطوں پر جمع کرنے سے پہلے دوبارہ ملایا جاتا ہے۔ بڑے β کی وجہ سے 976 nm پر TPP اثر زیادہ موثر ہے۔ 150 میگاواٹ بجلی کی کارکردگی پر 5 سینٹی میٹر لمبے آلے کے لیے نظریاتی طور پر 8 فیصد تک کی پیش گوئی کی جاتی ہے جو سلکان میں حاصل ہونے والے آلات سے زیادہ ہے۔ ممکنہ ایپلی کیشنز دو فوٹون فوٹو وولٹک اثر کا ایک ممکنہ اطلاق اہم ماحول میں نصب فزیکل سینسرز کو ریموٹ پاور ڈیلیوری ہے جہاں برقی چنگاریاں خطرناک ہوتی ہیں اور تانبے کی کیبلز سے بچنا ضروری ہے۔ حوالہ جات برقی مظاہر توانائی کی تبدیلی