Ruchliwość nośników ładunku w materiałach półprzewodnikowych jest ważnym parametrem dla ich użyteczności w ogniwach słonecznych. Gdy światło wpada do ogniwa słonecznego, generowane są wolne nośniki ładunku, które powodują powstanie napięcia elektrycznego na elektrodach. Ruchliwość nośników ładunku w materiale determinuje przepływ prądu w ogniwie, a zatem wpływa również na użyteczną moc ogniwa słonecznego.
Półprzewodniki stosowane w systemach fotowoltaicznych mają naturalnie niską mobilność; jest ona od 1000 do 10 000 razy niższa w przypadku krzemu polikrystalicznego w ogniwach słonecznych niż w przypadku krzemu o wysokiej czystości, który jest wymagany do produkcji komponentów.
Ruchliwość nośników ładunku w półprzewodnikach można zmierzyć za pomocą efektu Halla zgodnie z normą ASTM F76-08. Typ (elektrony lub dziury) i gęstość nośników ładunku można określić, a także ich ruchliwość w materiale za pomocą pomiaru rezystancji. Pomiar w bezpośrednim polu magnetycznym (DC) jest szeroko stosowany, ale materiały o niskiej ruchliwości, takie jak te istotne dla technologii ogniw słonecznych, termoelektryki lub elektroniki organicznej, nie mogą być mierzone bez błędów.
Efekt Halla i pomiary
Edwin Herbert Hall odkrył efekt Halla nazwany jego imieniem w 1879 roku. Zaobserwował on, że zewnętrzne pole magnetyczne może wpływać na prąd płynący w przewodniku.
Jeśli (pół)przewodnik przewodzący prąd jest penetrowany pionowo przez pole magnetyczne, siła Lorentza powoduje składową siły, która działa prostopadle do kierunku ruchu ładunku, tak że nośniki ładunku są odchylane na tor kołowy. Tworzy to gradient koncentracji nośników ładunku w przewodniku pod kątem prostym do kierunku prądu. Występuje niedobór elektronów po jednej stronie przewodnika i nagromadzenie nośników ładunku po przeciwnej stronie. Powstające napięcie jest znane jako napięcie Halla UH. Zależy ono od natężenia prądu I, gęstości strumienia magnetycznego B, grubości próbki d i stałej materiałowej, współczynnika Halla AH.
Równanie 1:
Jeśli współczynnik Halla ma wartość dodatnią, jest to „przewodnik dziurowy” (typu p), wartość ujemna oznacza w większości przypadków przewodnik elektronowy (typu n).
Równania 2 i 3 pokazują dalsze zależności między współczynnikiem Halla AH, rezystywnością ρ, gęstością nośników ładunku n i ruchliwością μ, gdzie e jest ładunkiem elementarnym.
Równanie 2:
Równanie 3:
W rzeczywistych warunkach testowych na zmierzone napięcie Halla UHm może wpływać składowa napięcia przesunięcia UO i składowa napięcia termoelektrycznego Uth. Opracowano specjalną metodę eliminacji zakłócających efektów napięć UO i Uth. Napięcie termoelektryczne można wyeliminować poprzez zmianę kierunku prądu, a następnie uśrednienie wartości bezwzględnych. Napięcie offsetowe wynika z geometrii próbki; można je skompensować poprzez odwrócenie pola magnetycznego, ponieważ nie zależy ono od kierunku pola.
Ponieważ metoda stałoprądowa często prowadzi do nieprawidłowego określenia typu nośnika ładunku, a także niedokładnych wyników mobilności materiałów o niskiej mobilności, jako alternatywę można zastosować zmienne pole magnetyczne lub prąd zmienny. Dzieje się tak dlatego, że podczas gdy napięcie Halla staje się napięciem przemiennym, składowe napięcia stałego UO i Uth mogą zostać stłumione. Pozwala to mierzyć zarówno małe napięcia Halla, jak i charakteryzować materiały o niskiej ruchliwości nośników ładunku, dzięki czemu w szczególności materiały fotowoltaiczne mogą być oceniane za pomocą metody prądu przemiennego.
