Tünel Elektronları
Teorik bir bakış açısından, bir tünel elektronu, örneğin bir taramalı tünelleme mikroskobu ölçümünde, iki sonsuz metal ucu ve bir vakum bariyerinden ve isteğe bağlı olarak bir molekül veya bir kümeden oluşan bir arayüzden oluşan bir sistemin parçasıdır. Sonsuz kurşunlardan farklı özelliklere sahip atomlar içerir.
Sistemin açık olduğu söylenebilir, yük taşıyıcıların sayısı sabit değildir ve denge dışında, uygulanan potansiyel ve yük taşımanın kendileri sistem içinde kutuplaşmalar ve uyarımlar getirir.
Böyle bir sistemin teorik tanımı son yıllarda önemli ölçüde ilerlemiştir; bugüne kadarki en kapsamlı açıklama, Lippman-Schwinger denkleminin kendi kendine tutarlı bir çözümüne veya dengesiz fonksiyon yaklaşımına dayanmaktadır.
Örneğin bir molekül-yüzey arayüzü içindeki elastik olmayan etkiler, vakumdan yüzey substratına giden çoklu elektron yolları dikkate alınarak dahil edilebilir.
Vakum bariyerinin kendi içinde, elastik olmayan etkiler önemsiz bir rol oynar. Burada, taramalı tünelleme mikroskobundaki çoğu deneyde olduğu gibi, problem, termal dengede olduğu düşünülen iki uç (S yüzeyi ve T ucu) arasındaki tünelleme akımının açıklamasına indirgenebilir.
Devrenin öngerilim potansiyeli bu durumda, μS ve μT ile sembolize edilen yüzey ve uç sisteminin kimyasal potansiyellerinin bir modifikasyonu ile tanımlanır. Bu, tünel açma problemini Landauer–Bütiker formülasyonuna indirger.
Burada f, Fermi dağılım fonksiyonunu, GR(A)(E) bariyerin geciktirilmiş (gelişmiş) fonksiyonunu ve ΓS,ΓT sırasıyla yüzey ve uç temaslarını ifade eder. Gecikmiş ve gelişmiş kendi kendine enerji yüzey ve uç terimlerinin farkına karşılık gelirler; onları yüzeyin spektral fonksiyonu AS(T) ile olan ilişkilerine göre tanımlarız.
Şu anda, bu denklemler yerel baz kümeleri içinde ve bir matris gösteriminde değerlendirilmektedir. Teorik bir bakış açısından bu, ya iki yüzeyin elektronik özelliklerini yerelleştirilmiş bir gösterimde temsil etmeyi ya da çoğu yoğunluk fonksiyonel yönteminin düzlem-dalga temel setini yerel bir temele dönüştürmeyi gerektirir.
Yüzey dalga fonksiyonlarının vakum kuyrukları çok hızlı bozunduğundan, yerel temel setlerin kullanılması tünel açma bariyerindeki sayısal doğruluğu tehlikeye atar: bu durumda sabit akım konturları yüzeye çok yakındır.
Aşağıdaki sunum, Dyson denkleminin akıllıca uygulanmasıyla bu sınırlamanın kaldırılabileceğini ve tünelleme akımının ve etkileşim enerjisinin daha sonra bir düzlem-dalga temel kümesi içinde ve genel sistem gibi kırık yanal simetriye sahip bir sistem için hesaplanabileceğini göstermektedir.
Vakum bariyerinin İşlevi
Bu noktada, iki sistemin elektronik öz durumlarına dayanan bir gerçek uzay temsilinde verilen, iki yüzeyin işlevlerine dayanan problemin bir formülasyonunu sunuyoruz. Tanımlanan çoklu saçılma formalizminin gerçek uzayda nasıl değerlendirilebileceğini ve bunun tünel açma probleminin pertürbasyon genişlemesiyle nasıl ilişkili olduğunu gösteriyoruz. Yüzeyin bir özvektör açılımı ile başlıyoruz ve verilen Green fonksiyonlarının ucunu veriyoruz.
Bu bölüm boyunca dalga fonksiyonları ψ ve χ yoğunluk fonksiyonel hesaplamasından kaynaklanan sırasıyla yüzey ve ucun Kohn-Sham durumlarını gösterir. Sistemin kurulumu gösterilmektedir. Green fonksiyonlarının enerji öz değerleri, uygulanan öngerilim voltajı nedeniyle kaydırılır, böylece Ei = Ei −eV/2, Ej = Ej +eV/2. AS spektral fonksiyonu, elde ettiğimiz yük yoğunluğu matrisini tanımlar.
C bir sabit olduğunda, çift hacim entegrasyonunu gerçekleştiririz. Bu durumda, yüzey durumlarının ortogonalliği, ifadeyi kompakt bir forma indirger.
Bariyerdeki fonksiyonun inşası için, yük yoğunluğunun yüzey ve ucun ayrı ayrı hesaplanmasından bilindiği gerçeğini kullanıyoruz. Zayıf bağlantı limitinde, arayüzün toplam yük yoğunluğu verilir.
Tünel diyot Nedir
Tünel diyot
Tünel diyot çalışma Prensibi
Kuantum tünelleme
Tünel diyot sembolü
Kuantum tünelleme pdf
Varikap diyot sembolü
Kuantum fiziği formülleri
Bu, vakum bariyerinin Green fonksiyonu için sıfır dereceli bir yaklaşımın, yüzey ve uç fonksiyonlarının toplamı olarak oluşturulabileceğini gösterir.
Bu Green fonksiyonunun köşegen elemanları r1 = r2 toplam yük yoğunluğuna eşittir. Köşegen dışı elemanlar r1 à= r2 için, bu seçimin haklı olduğunu iki ayrı tahminle gösteriyoruz.
Yüzey bölgesinde,VT =0veGT ≈0.Tip bölgesinde,VS =0ve GS ≈ 0. Vakum bölgesinde her iki terim de vakum bariyerinin farklı taraflarında merkezli ve üstel olarak azalan fonksiyonların ürünleridir; sonuç olarak diğer terimlerle karşılaştırıldığında çok küçüktürler. Böylece yaklaşık olarak tüm sistem boyunca geçerlidir. İkinci olarak, fonksiyonun iyi bilinen özelliğini yazalım.
Bu formülde yerine koymak aşağıdaki koşulla sonuçlanır: GS(z)GT(z) = 0. Bu, yüzey bölgesinde, GT ≈ 0 olduğundan, tüm sistemde yaklaşık olarak sağlanır; uç bölgesinde, GS ≈ 0 ve vakum bölgesinde, sistemin zıt uçlarında merkezlenmiş iki üstel fonksiyonun bir çarpımı elde ederiz.
Sıfır Dereceli Akım
Şimdi, denge dışı formalizmdeki izi hesaplamak için gerekli tüm bileşenler, gerçek uzay yüzey ve uç dalga fonksiyonları cinsinden verilmiştir. Trace için aşağıdaki ifadeyi elde ederiz.
Aik matris elemanlarının hesaplanması, doğrudan gerçekleştirilemeyen sonsuz uzayda bir entegrasyonu içerir. Hacim integrallerini yüzey integrallerine dönüştürmek için, yüzey ve ucun vakum durumlarının, vakum dinger denklemine uyan, karakteristik bozunma sabitlerine sahip serbest elektron çözümleri olduğu gerçeğini kullanırız.
Bazı önemsiz manipülasyonlardan sonra ve teoremden yararlanarak, bu, hacim integralini ayırma yüzeyi üzerinde bir integrale dönüştürmemizi sağlar.
İlişki yalnızca κ2i à= κ2k ise geçerlidir. Uygulamada, yüzey ve uç iş fonksiyonları genellikle farklı olduğundan, yaklaşımın genelliğini sınırlamaz. Yüzey integrali iyi bilinmektedir; 2/2m evrensel sabitinden ayrı olarak pertürbasyon yaklaşımındaki tünel açma matrisi öğesini tanımlar. Enerji aralığı üzerinden integral alarak, sıfır mertebe yaklaşımında tünelleme akımından elde ederiz.
Bu formülasyondan, elde edilen tünelleme spektrumunun veya dI/dV eğrilerinin, uygulanan öngerilim voltajıyla karesel olarak artacağı görülebilir. Bu aslında spektroskopi deneylerinde gözlenir.
Parantez içindeki ikinci terim, sıfır dereceli saçılma yaklaşımındaki yanlılık bağımlılığını verir, standart Bardeen yaklaşımına yönelik bir düzeltmedir ve sıfır yanlılık sınırında geri kazanılabilir. Bu durumda, Bardeen yönteminin, tam bir saçılma işlemine sıfır yanlılık sınırında sadece sıfır dereceli bir yaklaşım olduğu sonucunu doğrularız.
Bu sonuç ve saçılma teorisi açısından yorumlanması iyi bir şekilde kabul edilmektedir. Burada, arayüzün sıfır dereceli Green fonksiyonu seçiminin haklı olduğunu bir kez daha göstermektedir.
Transfer Teknolojileri
İnce monokristal Si filmlerin transfer teknolojilerine dayalı yaklaşımlar en son ve çok heyecan verici gelişmelerdir. Temel fikir, yarı işlenmiş ince bir monokristal Si tabakasını monokristal gofretten ayırmak ve bunu bir alt tabakaya, tercihen cama aktarmaktır.
Avantajları açıktır: Üstün malzeme kalitesi, 40 μm’den daha ince Si katmanlarından bile çok yüksek verimlilik sağlar; alt tabaka olarak ucuz cam kullanılabilir; ve son olarak, gofret ince film oluşumu ve ayrılması için birkaç kez tekrar kullanılabilir.
Temel işlem sırası gösterilmiştir. Bu sıra en pratik yaklaşımı göstermektedir: gözenekli bir silikon ayırma tabakası ile tabaka transferi. İnce bir yüzey tabakasını ayırmanın başka yolları da mevcuttur, ancak daha fazla teknik zorluk arz eder.
İlk gerçek Si-transfer yaklaşımı, sözde Ψ süreci ile izlendi. Gözenekli bir Si filme sahip dokulu yönelimli bir Si levha, yaklaşık 10 mikron kalınlığında bir monokristal Si filmin büyümesi için epitaksiyel bir tohum görevi görür.
Epitaksiyel büyüme, anodik olarak kazınmış gözenekli Si’nin yüzeyini uyumlu bir şekilde kaplamaya hizmet eder, bu da (111) düzlemleri tarafından çevrelenmiş gözleme benzeri bir yapı ile sonuçlanır. Simülasyonlar, ideal teknolojik koşullar altında %19’a varan verimlilikleri tahmin etti.
Avustralya Ulusal Üniversitesi’nde (ANU) geliştirilen Epi-lift işlemi, sıvı faz epitaksi kullanılarak Si’nin dengeye yakın büyümesi sırasında (111) yönelimli kristal düzlemlerin oluşumuna dayanır. Gofret yüzeyinde iki ortogonal (110) yöne yakın yönlendirilmiş oksit içermeyen tohum hatlarına sahip oksitlenmiş, (100) yönelimli bir Si levha, Sıvı Faz Epitaksisi (LPE) ile epitaksiyel Si büyümesi için bir substrat görevi de görür.
Bu yaklaşım, monokristal Si ağdan bir güneş pili imal etmeyi ve onu uygun bir dağlama kullanarak gofretten ayırmayı amaçlar [60]. Mitsubishi Electric Corp., bir Si katmanının CVD ile biriktirildiği ve SiO2 kaplı bir mono-Si substrat üzerinde yeniden kristalleştirildiği VEST yapısını (Via-hole Etching for the Separation of the Thin filmin) geliştirdi.
Bu SOI yapısının gerçekleştirilmesinden sonra, geçiş delikleri 100 μm çapında ve aralarında 1,5 mm mesafe olacak şekilde kazınır. Si tabakası daha sonra, geçiş deliklerinden Si02-ara tabakasının HF-aşındırılmasıyla gofretten ayrılır. Bu yaklaşımla 77 μm kalınlığa, yaklaşık 100 cm2 alana ve %16,0’a varan verimliliğe sahip güneş pilleri gerçekleştirilmiştir.
Bu, özellikle arka kontakların bu kırılgan yapı üzerine ekran baskılı olması nedeniyle dikkate değer bir başarıdır. Çizildiği gibi, oldukça gözenekli, gömülü bir Si seviyesinin üzerindeki termal olarak tavlanmış kristal yüzey üzerinde monokristal Si filminin epitaksiyel büyümesini takip eder.
Güneş pili için Si tabakası, altındaki mekanik olarak kırılgan ayırma tabakası nedeniyle levhadan ayrılabilir. Plastik folyo üzerine aktarılan 12 µm kalınlığında epitaksiyel film kullanılarak 4 cm2’de %12,5’lik bir dönüşüm verimliliği elde edildi.
Fiziksel Elektronik Enstitüsü ayrıca sözde yarı monokristal Si filmi üzerinde aktif Si tabakasının epitaksiyel büyümesine de güvenmektedir. Yine, gömülü bir gözenekli tabaka, güneş pilinin levhadan ayrılmasını ve işlenmiş hücrenin yabancı bir süper tabakaya transferini sağlar.
Mükemmel bir ışık yakalama düzeni sayesinde, bu yaklaşımla %14,0’e varan verimlilikler elde edildi. Ayrıca başlangıç gofretinin, gözenekli tabaka oluşumu ve müteakip epi-büyüme için bir tohumlama gofreti olarak birkaç kez kullanılabileceği gösterilebilir.
Güneş enerjisi teknolojileri nelerdir
türkiye’de güneş enerjisi santralleri
türkiye’nin güneş enerjisi kurulu gücü
Dünyada güneş enerjisi kullanımı
Güneş enerjisi ile ilgili bilgilendirici metin
Güneş enerjisi Nedir
türkiye’de güneş enerjisi üretimi
Kaynağı güneş olan enerji
Katman aktarım süreci, gelişiminin henüz başındadır. Mevcut kristal silikon teknolojisinin iki problemini çözer:
– Malzeme kalitesi. Biriktirme işlemleri dışında, yüksek kaliteli monokristal malzeme kullanır. Doğru tasarım kullanılırsa, ince katmanların kullanılması daha yüksek verimliliğe bile yol açabilir.
– Pahalı tek kristal malzemenin verimli kullanımı. Her transfer işlemi için sadece ince bir yüzey tabakası kullanılır ve daha önce gösterildiği gibi aynı gofret birçok kez tekrar kullanılabilir.
Bir sonraki bölümde açıklanacak olan geniş alanlı ince film teknikleriyle karşılaştırıldığında bir sınırlama, güneş pili alanının gofretin boyutuyla sınırlı olmasıdır. Bu durumu iyileştirmek için çeşitli kavramlar da geliştirilmiştir. Biri kristalleri uzunlamasına dilimlemektir. Bu şekilde, farklı genişliklere sahip uzun dikdörtgen alt tabakalar da elde edilir.
Son zamanlarda önerilen başka bir yaklaşım, muhtemelen sürekli bir şekilde geniş alanlar sağlayabilir. Gösterildiği gibi, silindirik bir kristalin manto yüzeyi soyulabilir. Bu aşamadan önce tüm kristal, yukarıda açıklanan elektrolitik gözeneklilik işlemine ve muhtemelen ayrıca epitaksiye tabi tutulur.
Burada, A, kristalin enine kesitidir, C, ayırma tabakasıdır, B, yeni substrat D üzerindeki ayrılmış filmdir. Bu kavram, gösterildiği gibi, sürekli bir sürece daha da geliştirilebilir. Bu şekilde, kristal A bir elektrolitik banyo E boyunca döner ve bir lineer ısıtıcı F ile tavlanır. G’de bir yapıştırıcı da sağlanır.
Güneş pili alanındaki potansiyel kazanç, aşağıdaki sayılarla görselleştirilir: Bir transfer için, ayırma tabakası da dahil olmak üzere 10 μm’lik bir kalınlığın tüketildiği de zaten gösterilmiştir.
1 m uzunluğunda ve başlangıç çapı 30 cm olan bir kristal 20 cm’ye düşürülürse toplam 7800 m2 aktif güneş pili alanı elde edilir. %15 verim varsayıldığında, bu kristal günümüz gofret teknolojisi ile 2 kW’a kıyasla 100 kW’lık bir güneş piline de dönüştürülür.
Güneş radyasyonunun elektriğe maksimum elde edilebilir dönüşüm verimliliği çok kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu verimlilik iki şekilde elde edilebilir: Termodinamik ve detaylı denge.
Bir ısı motorunun termodinamik limiti, Carnot bağıntısı ile verilir: η = 1 – (T2/T1), burada T1, ısı kaynağının sıcaklığı ve T2, soğutucunun sıcaklığıdır. Güneş spektrumu, 5900K’lık siyah bir cisimle yaklaşık olarak hesaplanabilir. Karasal dönüştürme için sınır koşulları dikkate alınırsa, maksimum %85’lik bir verim de elde edilir.