تُعد حركية حاملة الشحنة في المواد شبه الموصلة معلمة مهمة لقابلية استخدامها في الخلايا الشمسية. عندما يسقط الضوء في خلية شمسية، تتولد حاملات شحن حرة ينتج عنها جهد كهربائي عند الأقطاب الكهربائية. وتحدد حركية حاملات الشحنة في المادة تدفق التيار في الخلية، وبالتالي تؤثر أيضًا على الطاقة القابلة للاستخدام في الخلية الشمسية.
أشباه الموصلات المستخدمة في الأنظمة الكهروضوئية بطبيعة الحال ذات حركية منخفضة؛ فهي أقل من 1000 إلى 10000 مرة بالنسبة للسيليكون متعدد البلورات في الخلايا الشمسية من السيليكون عالي النقاء، وهو مطلوب في تصنيع المكونات.
يمكن قياس حركة حاملات الشحنة في أشباه الموصلات باستخدام تأثير هول وفقًا لمعيار ASTM F76-08. ويمكن تحديد نوع (الإلكترونات أو الثقوب) وكثافة حاملات الشحنة وكثافتها وكذلك حركيتها في المادة عن طريق قياس المقاومة. يُستخدم القياس في مجال مغناطيسي مباشر (تيار مستمر) على نطاق واسع، ولكن لا يمكن قياس المواد ذات الحركية المنخفضة، مثل تلك ذات الصلة بتكنولوجيا الخلايا الشمسية أو الكهرباء الحرارية أو الإلكترونيات العضوية، دون أخطاء.
تأثير القاعة والقياس
اكتشف إدوين هربرت هول تأثير هول الذي سمي باسمه في عام 1879. لاحظ أن التيار في الموصل يمكن أن يتأثر بمجال مغناطيسي خارجي.
إذا اختُرق موصل (شبه) حامل للتيار عموديًّا بواسطة مجال مغناطيسي، فإن قوة لورنتز تتسبب في وجود مكون قوة يؤثر عموديًّا على اتجاه حركة الشحنة، بحيث تنحرف حاملات الشحنة في مسار دائري. وهذا يُحدِث تدرجًا في تركيز حاملات الشحنة داخل الموصِّل بزاوية قائمة مع اتجاه التيار. ويحدث نقص في الإلكترونات على جانب واحد من الموصل وتراكم لحاملات الشحنة على الجانب المقابل. ويُعرف الجهد الناتج باسم جهد هول UH. ويعتمد على التيار I، وكثافة التدفق المغناطيسي B، وسُمك العينة d، وثابت المادة، وهو معامل هول AH.
المعادلة 1:
إذا كانت قيمة معامل هول موجبة، فهذا يعني أنه “موصل ثقب” (من النوع p)، والقيمة السالبة تعني في معظم الحالات موصل إلكترون (من النوع n).
تُظهر المعادلتان 2 و3 علاقات أخرى بين معامل هول AH، والمقاومة النوعية ρ، وكثافة الشحنة الحاملة n، والحركية μ، حيث e هي الشحنة الأولية.
المعادلة 2:
المعادلة 3:
في ظل ظروف الاختبار الحقيقية، يمكن أن يتأثر جهد القاعة المقاس UHm بمكون جهد الإزاحة UO ومكون الجهد الكهروحراري Uth. تم تطوير طريقة خاصة لإزالة التأثيرات المتداخلة للجهدين UO وUth. يمكن التخلص من الجهد الكهروحراري الحراري عن طريق تغيير اتجاه التيار ثم حساب متوسط القيم المطلقة. ينتج جهد الإزاحة من هندسة العينة؛ ويمكن تعويضه عن طريق عكس المجال المغناطيسي لأنه لا يعتمد على اتجاه المجال.
نظرًا لأن طريقة التيار المستمر غالبًا ما تؤدي إلى تحديد غير صحيح لنوع ناقل الشحنة وكذلك نتائج غير دقيقة لحركية المواد ذات الحركية المنخفضة، يمكن استخدام مجال مغناطيسي متناوب أو تيار متناوب كبديل. وذلك لأنه بينما يصبح جهد هول جهد تيار متردد، يمكن كبح مكونات جهد التيار المستمر UO وUth. ويسمح ذلك بقياس كل من جهد هول الصغير وتوصيف المواد ذات الحركية المنخفضة لحامل الشحنة، بحيث يمكن تقييم المواد الكهروضوئية على وجه الخصوص باستخدام طريقة التيار المتردد.
