Yarı iletken malzemelerdeki yük taşıyıcı hareketliliği, güneş pillerinde kullanılabilirlikleri için önemli bir parametredir. Işık bir güneş hücresine düştüğünde, elektrotlarda elektrik voltajına neden olan serbest yük taşıyıcıları üretilir. Malzemedeki yük taşıyıcılarının hareketliliği, hücredeki akım akışını belirler ve bu nedenle bir güneş pilinin kullanılabilir gücünü de etkiler.
Yarı İletkenlerFotovoltaik sistemlerde kullanılan silikon doğal olarak düşük bir hareketliliğe sahiptir; güneş pillerindeki polikristal silikon için, bileşen üretiminde gerekli olan yüksek saflıktaki silikondan 1000 ila 10.000 kat daha düşüktür.
Yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcılarının hareketliliği, ASTM F76-08 standardına uygun olarak Hall etkisi kullanılarak ölçülebilir. Yük taşıyıcılarının türü (elektronlar veya delikler) ve yoğunluğunun yanı sıra bir direnç ölçümü yoluyla malzeme içindeki hareketlilikleri de belirlenebilir. Doğrudan manyetik alanda (DC) ölçüm yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak güneş pili teknolojisi, termoelektrikler veya organik elektroniklerle ilgili olanlar gibi düşük hareketliliğe sahip malzemeler hatasız ölçülemez.
Hall etkisi ve ölçüm
Edwin Herbert Hall, 1879 yılında kendi adıyla anılan Hall etkisini keşfetti. Bir iletkendeki akımın harici bir manyetik alandan etkilenebileceğini gözlemledi.
Akım taşıyan (yarı) bir iletken bir manyetik alan tarafından dikey olarak delinirse, Lorentz kuvveti yükün hareket yönüne dik olarak etki eden bir kuvvet bileşenine neden olur, böylece yük taşıyıcıları dairesel bir yola saptırılır. Bu, iletken içinde akım yönüne dik açılarda bir yük taşıyıcı konsantrasyon gradyanı yaratır. İletkenin bir tarafında elektron azlığı ve karşı tarafında yük taşıyıcılarının birikmesi söz konusudur. Ortaya çıkan gerilim Hall gerilimi UH olarak bilinir. Akım I, manyetik akı yoğunluğu B, numunenin kalınlığı d ve bir malzeme sabiti olan Hall katsayısı AH’ye bağlıdır.
Denklem 1:
Hall katsayısı pozitif bir değere sahipse, bu bir “delik iletkeni” (p-tipi), negatif bir değer ise çoğu durumda bir elektron iletkeni (n-tipi) anlamına gelir.
Denklem 2 ve 3, Hall katsayısı AH, direnç ρ, yük taşıyıcı yoğunluğu n ve hareketlilik μ arasındaki diğer ilişkileri göstermektedir, burada e temel yüktür.
Denklem 2:
Denklem 3:
Gerçek test koşulları altında, ölçülen Hall voltajı UHm, bir ofset voltaj bileşeni UO ve bir termoelektrik voltaj bileşeni Uth tarafından etkilenebilir. UO ve Uth gerilimlerinin karışan etkilerini ortadan kaldırmak için özel bir yöntem geliştirilmiştir. Termoelektrik gerilim, akımın yönü değiştirilerek ve ardından mutlak değerlerin ortalaması alınarak ortadan kaldırılabilir. Ofset gerilimi numune geometrisinden kaynaklanır; alan yönüne bağlı olmadığı için manyetik alanın tersine çevrilmesiyle telafi edilebilir.
DC yöntemi genellikle yük taşıyıcı tipinin yanlış belirlenmesine ve düşük hareketliliğe sahip malzemelerin hareketliliği için yanlış sonuçlara yol açtığından, alternatif olarak alternatif bir manyetik alan veya alternatif bir akım kullanılabilir. Bunun nedeni, Hall voltajı bir AC voltajı haline gelirken, DC voltaj bileşenleri UO ve Uth’nin bastırılabilmesidir. Bu, hem küçük Hall voltajlarının ölçülmesine hem de düşük yük taşıyıcı hareketliliğine sahip malzemelerin karakterize edilmesine olanak tanır, böylece özellikle fotovoltaik malzemeler AC yöntemi kullanılarak değerlendirilebilir.
