A mobilidade dos portadores de carga em materiais semicondutores é um parâmetro importante para a sua utilização em células solares. Quando a luz incide numa célula solar, são gerados portadores de carga livres que resultam numa tensão eléctrica nos eléctrodos. A mobilidade dos portadores de carga no material determina o fluxo de corrente na célula e, por conseguinte, também influencia a potência utilizável de uma célula solar.
Os semicondutores utilizados nos sistemas fotovoltaicos têm, naturalmente, uma baixa mobilidade; esta é 1000 a 10 000 vezes inferior para o silício policristalino nas células solares do que para o silício de alta pureza, necessário para o fabrico de componentes.
A mobilidade dos portadores de carga nos semicondutores pode ser medida utilizando o efeito Hall, de acordo com a norma ASTM F76-08. O tipo (electrões ou buracos) e a densidade dos portadores de carga podem ser determinados, bem como a sua mobilidade no material, através de uma medição da resistência. A medição num campo magnético direto (DC) é amplamente utilizada, mas os materiais com baixa mobilidade, como os relevantes para a tecnologia de células solares, termoeléctrica ou eletrónica orgânica, não podem ser medidos sem erros.
Efeito Hall e medição
Edwin Herbert Hall descobriu o efeito Hall, que recebeu o seu nome em 1879. Observou que a corrente num condutor pode ser influenciada por um campo magnético externo.
Se um condutor (semi-)condutor de corrente for penetrado verticalmente por um campo magnético, a força de Lorentz provoca uma componente de força que actua perpendicularmente à direção do movimento da carga, de modo que os portadores de carga são desviados para uma trajetória circular. Isto cria um gradiente de concentração de portadores de carga no interior do condutor, perpendicularmente à direção da corrente. Há uma escassez de electrões num dos lados do condutor e uma acumulação de portadores de carga no lado oposto. A tensão resultante é conhecida como tensão Hall UH. Depende da corrente I, da densidade do fluxo magnético B, da espessura da amostra d e de uma constante material, o coeficiente Hall AH.
Equação 1:
Se o coeficiente Hall tiver um valor positivo, trata-se de um “condutor de buracos” (tipo p), um valor negativo significa, na maioria dos casos, um condutor de electrões (tipo n).
As equações 2 e 3 mostram outras relações entre o coeficiente Hall AH, a resistividade ρ, a densidade de portadores de carga n e a mobilidade μ, em que e é a carga elementar.
Equação 2:
Equação 3:
Em condições reais de ensaio, a tensão Hall UHm medida pode ser influenciada por uma componente de tensão de offset UO e uma componente de tensão termoeléctrica Uth. Foi desenvolvido um método especial para eliminar os efeitos de interferência das tensões UO e Uth. A tensão termoeléctrica pode ser eliminada alterando a direção da corrente e calculando depois a média dos valores absolutos. A tensão de offset resulta da geometria da amostra; pode ser compensada invertendo o campo magnético porque não depende da direção do campo.
Como o método DC conduz frequentemente a uma determinação incorrecta do tipo de portador de carga, bem como a resultados imprecisos para a mobilidade de materiais com baixa mobilidade, pode ser utilizado como alternativa um campo magnético alternado ou uma corrente alternada. Isto porque, enquanto a tensão Hall se torna uma tensão AC, os componentes de tensão DC UO e Uth podem ser suprimidos. Isto permite a medição de pequenas tensões Hall e a caraterização de materiais com baixa mobilidade de portadores de carga, de modo a que os materiais fotovoltaicos, em particular, possam ser avaliados utilizando o método AC.
