استخدام الإلكترونات للعبور فجوة النطاق باستخدام الطاقة الحرارية
الخلايا الكهروضوئية (PV) هي تقنية لتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. هناك خطوتان أساسيتان يجب حدوثهما لعمل خلية كهروضوئية. أولاً، يتم امتصاص الفوتون وينتقل طاقته إلى إلكترون. ثانياً، يتم جمع هذا الإلكترون المشحون بالطاقة واستخدامه لإنجاز عمل مفيد.
كما تعلمنا في الدرس السابق، يحدث التأثير الكهروضوئي في نوع من المواد يسمى أشباه الموصلات. تحصل أشباه الموصلات على اسمها لأن لديها موصلية كهربائية تقع بين العوازل غير الموصلة (مثل السيراميك) والمعادن عالية التوصيل. لفهم كيفية عمل أشباه الموصلات (والخلايا الكهروضوئية)، نحتاج إلى فهم كيفية تحرك الإلكترونات وتصرفها في هذه المواد.
سيستكشف هذا الدرس التركيب الباندي الإلكتروني لأشباه الموصلات - والذي يسمح للفوتونات بنقل طاقتها إلى الإلكترونات، وهي خطوة مهمة في طريق الحصول على خلية كهروضوئية فعالة.
لفهم كيفية عمل أشباه الموصلات، يمكننا البدء بالنظر إلى كيفية عمل شيء أبسط - ذرة منفردة.
كان نيلز بور عالم فيزياء طور نموذجًا للذرة يُعد ضروريًا لفهمنا الحالي للفيزياء والكيمياء. في نموذج بور، تدور الإلكترونات حول النواة، ولكن هناك مدارات محددة فقط يمكن للإلكترون أن يأخذها.
في نموذج بور لذرة الهيدروجين، يبلغ نصف قطر أقرب ثلاثة مدارات للإلكترون حول النواة 5.29 × 10 ^ -11 متر و 2.12 × 10 ^ -10 متر و 5.29 × 10 ^ -11 متر و 2.12 × 10 ^ -10 و 4.76 × 10 ^ -10 متر. يُسمح للإلكترونات باحتلال تلك المدارات، ولكن ليس المدارات الموجودة بينهما. على سبيل المثال، سيكون المدار الذي يبلغ نصف قطره 8 × 10 ^ -11 متر ممنوعًا:
يرتبط كل من هذه المدارات بمستوى طاقة معين للإلكترون، حيث ترتبط المدارات الأبعد بطاقة أكبر. وبالتالي، فإن حقيقة وجود مدارات محددة يمكن للإلكترونات أن تحتلها تعني وجود مستويات طاقة محددة يمكن أن تحتلها أيضًا.
من المهم أيضًا أن نفهم أنه لا يُسمح لاثنين من الإلكترونات باحتلال الحالة نفسها، وذلك بسبب شيء يسمى مبدأ استبعاد باولي الذي ينص على أن كل مدار إلكتروني يمكنه فقط استيعاب عدد محدود من الإلكترونات.
نظرًا لأن هناك حالتين من الدوران يمكن للإلكترونات أن تأخذهما، يمكن لكل مدار أن يستوعب إلكترونين - أحدهما يدور لأعلى والآخر يدور لأسفل. إذا لم تكن على دراية بدوران الإلكترون، فلا تقلق، فالفكرة المهمة هنا هي أن كل مدار (وبالتالي كل مستوى طاقة) يمكنه فقط استيعاب إلكترونين.
شرح مستوى فيرمي والموصلية الكهربائية
مستوى فيرمي هو مستوى الطاقة الذي يكون فيه احتمال وجود إلكترون 50٪. تخيل مادة كـ "محيط إلكتروني" به مستويات طاقة مختلفة مثل درجات السلم.
المواد المعدنية:
في المعادن، يقع مستوى فيرمي ضمن نطاق من مستويات الطاقة المسموح بها.
هذا النطاق ممتلئ جزئيًا بالإلكترونات، مما يترك لها "مساحة للتحرك" عند تطبيق مجال كهربائي.
يمكن لهذه الإلكترونات المتنقلة أن تتدفق بسهولة عبر المادة، مما ينتج عنه موصلية كهربائية عالية.
أشباه الموصلات والعوازل:
في أشباه الموصلات، يقع مستوى فيرمي عادةً في فجوة بين نطاقين.
تُسمى هذه الفجوة فجوة النطاق، وتمنع الإلكترونات من الانتقال بسهولة بين النطاقات.
نتيجة لذلك، تتمتع أشباه الموصلات بـ موصلية كهربائية معتدلة يمكن التحكم فيها بشكل أكبر من خلال التنشيط (إضافة الشوائب).
من ناحية أخرى، تمتلك العوازل فجوة نطاق أعرض بكثير من أشباه الموصلات.
يكون مستوى فيرمي بعيدًا عن أي نطاق، مما يجعل من الصعب للغاية على الإلكترونات التحرك.
يؤدي ذلك إلى موصلية كهربائية منخفضة للغاية.
نقاط أساسية:
يحدد موقع مستوى فيرمي بالنسبة إلى نطاقات الطاقة الموصلية الكهربائية.
تمتلك المعادن نطاقات ممتلئة جزئيًا، مما يسمح بتدفق الإلكترون بسهولة (موصلية عالية).
تمتلك أشباه الموصلات فجوة نطاق، مما يسمح بموصلية محكومة من خلال التنشيط.
تمتلك العوازل فجوة نطاق كبيرة، مما يعيق حركة الإلكترون (موصلية منخفضة).
ملاحظات إضافية:
يمكن للطاقة الحرارية أن تثير بعض الإلكترونات بشكل طفيف في أشباه الموصلات والعوازل، لكن التأثير عادةً ما يكون ضئيلًا في درجة حرارة الغرفة.
يقدم التنشيط مستويات طاقة إضافية داخل فجوة النطاق في أشباه الموصلات، مما يغير موصليةها.
تأثير درجة الحرارة على الموصلية الكهربائية
المواد شبه الموصلة هي مثال على المواد التي تُظهر زيادة في الموصلية الكهربائية مع ارتفاع درجة الحرارة. سنشرح في هذا القسم السبب الكامن وراء ذلك من خلال مفهوم مستوى فيرمي و توزيع بولتزمان.
نقاط أساسية:
مستوى فيرمي: هو مستوى الطاقة الذي يكون فيه احتمال وجود إلكترون 50٪.
توزيع بولتزمان: يصف احتمال وجود إلكترون في مستوى طاقة محدد بناءً على درجة حرارة المادة.
الشرح:
تخيل الإلكترونات في مادة كـ "بحر". في الصفر المطلق (0 كلفن)، يكون هذا البحر هادئًا ومسطحًا، مع وجود الإلكترونات في مستويات الطاقة أقل من مستوى فيرمي.
مع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح البحر أكثر اضطرابًا. تكتسب بعض الإلكترونات طاقة حرارية، مما يسمح لها باحتلال مستويات طاقة أعلى حتى فوق مستوى فيرمي.
يحدد توزيع بولتزمان هذا السلوك. يتنبأ بـ احتمال (يمثله P) وجود إلكترون في مستوى طاقة محدد (E) بناءً على درجة الحرارة (T) و ثابت بولتزمان (kB):
P ∝ e^(-E / kB * T)
درجات الحرارة العالية (T أكبر) تؤدي إلى احتمالية أعلى لوجود الإلكترونات في مستويات طاقة أعلى (E أكبر). وذلك لأن العدد الأسى في المعادلة يصبح أصغر، مما يزيد من الاحتمال الكلي.
التأثير على الموصلية:
في أشباه الموصلات، يقع مستوى فيرمي عادةً داخل فجوة نطاق بين نطاقين من مستويات الطاقة المسموح بها. في درجات الحرارة المنخفضة، تتعثر معظم الإلكترونات تحت الفجوة، مما يعيق الموصلية.
ومع ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب بعض الإلكترونات طاقة كافية للقفز فوق الفجوة والوصول إلى نطاق التوصيل فوق مستوى فيرمي. يمكن لهذه الإلكترونات المثارة الآن المشاركة في التوصيل الكهربائي، مما يزيد من الموصلية الكلية للمادة.
ملاحظة: تركز هذه الشرح على أشباه الموصلات. في المعادن، حيث يوجد مستوى فيرمي بالفعل داخل نطاق ممتلئ جزئيًا، يكون لدرجة الحرارة تأثير أقل على الموصلية.
في الختام، يؤثر التفاعل بين مستوى فيرمي وتوزيع بولتزمان ودرجة الحرارة على الموصلية الكهربائية لبعض المواد، خاصة أشباه الموصلات.