La mobilità dei portatori di carica nei materiali semiconduttori è un parametro importante per la loro utilizzabilità nelle celle solari. Quando la luce cade in una cella solare, si generano portatori di carica liberi che generano una tensione elettrica sugli elettrodi. La mobilità dei portatori di carica nel materiale determina il flusso di corrente nella cella e quindi influenza anche la potenza utilizzabile di una cella solare.
I semiconduttori utilizzati nei sistemi fotovoltaici hanno naturalmente una bassa mobilità; è da 1000 a 10.000 volte inferiore per il silicio policristallino delle celle solari rispetto al silicio di elevata purezza, necessario per la produzione dei componenti.
La mobilità dei portatori di carica nei semiconduttori può essere misurata utilizzando l’effetto Hall in conformità con lo standard ASTM F76-08. È possibile determinare il tipo (elettroni o buchi) e la densità dei portatori di carica, nonché la loro mobilità nel materiale attraverso una misurazione della resistenza. La misurazione in un campo magnetico diretto (DC) è ampiamente utilizzata, ma i materiali con bassa mobilità, come quelli rilevanti per la tecnologia delle celle solari, la termoelettrica o l’elettronica organica, non possono essere misurati senza errori.
Effetto Hall e misurazione
Edwin Herbert Hall scoprì l’effetto Hall che porta il suo nome nel 1879. Osservò che la corrente in un conduttore può essere influenzata da un campo magnetico esterno.
Se un (semi)conduttore percorso da corrente viene attraversato verticalmente da un campo magnetico, la forza di Lorentz provoca una componente di forza che agisce perpendicolarmente alla direzione di movimento della carica, in modo che i portatori di carica vengano deviati su un percorso circolare. Questo crea un gradiente di concentrazione dei portatori di carica all’interno del conduttore perpendicolarmente alla direzione della corrente. Si verifica una carenza di elettroni su un lato del conduttore e un accumulo di portatori di carica sul lato opposto. La tensione risultante è nota come tensione di Hall UH. Dipende dalla corrente I, dalla densità di flusso magnetico B, dallo spessore del campione d e da una costante del materiale, il coefficiente di Hall AH.
Equazione 1:
Se il coefficiente di Hall ha un valore positivo, si tratta di un “conduttore di buche” (tipo p), mentre un valore negativo significa nella maggior parte dei casi un conduttore di elettroni (tipo n).
Le equazioni 2 e 3 mostrano ulteriori relazioni tra il coefficiente di Hall AH, la resistività ρ, la densità di portatori di carica n e la mobilità μ, dove e è la carica elementare.
Equazione 2:
Equazione 3:
In condizioni di test reali, la tensione di Hall misurata UHm può essere influenzata da una componente di tensione di offset UO e da una componente di tensione termoelettrica Uth. È stato sviluppato un metodo speciale per eliminare gli effetti di interferenza delle tensioni UO e Uth. La tensione termoelettrica può essere eliminata cambiando la direzione della corrente e facendo una media dei valori assoluti. La tensione di offset deriva dalla geometria del campione; può essere compensata invertendo il campo magnetico perché non dipende dalla direzione del campo.
Poiché il metodo DC spesso porta a una determinazione errata del tipo di portatore di carica e a risultati imprecisi per quanto riguarda la mobilità dei materiali a bassa mobilità, è possibile utilizzare un campo magnetico alternato o una corrente alternata come alternativa. Questo perché mentre la tensione di Hall diventa una tensione alternata, le componenti di tensione continua UO e Uth possono essere soppresse. In questo modo è possibile misurare piccole tensioni di Hall e caratterizzare i materiali con una bassa mobilità dei portatori di carica, in particolare i materiali fotovoltaici possono essere valutati con il metodo AC.
