Two-photon photovoltaic effect
টু-ফোটন ফটোভোলটাইক এফেক্ট (টিপিপি এফেক্ট) হল টু-ফোটন অ্যাবসর্পশন (টিপিএ)-এর উপর ভিত্তি করে একটি শক্তি সংগ্রহ পদ্ধতি। টিপিপি প্রভাবকে উচ্চ আলোকীয় তীব্রতার সাথে জড়িত ঐতিহ্যবাহী ফটোভোলটাইক প্রভাবের অরৈখিক সমতুল্য হিসাবে ভাবা যেতে পারে। এই প্রভাবটি ঘটে যখন দুটি ফোটন একই সময়ে শোষিত হয় যার ফলে একটি ইলেক্ট্রন-গর্ত জোড়া তৈরি হয়। পটভূমি টিপিএ সাধারণত কম আলোর তীব্রতায় রৈখিক শোষণের চেয়ে দুর্বল মাত্রার বেশ কয়েকটি ক্রম। এটি রৈখিক শোষণ থেকে পৃথক যে টিপিএ-র কারণে আলোকীয় রূপান্তর হার আলোর তীব্রতার বর্গক্ষেত্রের উপর নির্ভর করে, এইভাবে এটি একটি অরৈখিক আলোকীয় প্রক্রিয়া এবং উচ্চ তীব্রতায় রৈখিক শোষণের উপর আধিপত্য বিস্তার করতে পারে। অতএব, টিপিএ থেকে শক্তি অপচয় এবং ফলস্বরূপ মুক্ত বাহক বিচ্ছুরণ অর্ধপরিবাহী যন্ত্রগুলিতে ক্ষতিকারক সমস্যা যা উচ্চ তীব্রতার সাথে মোকাবিলা করার সময় কের এবং রমন প্রভাবের মতো অরৈখিক আলোকীয় মিথস্ক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে কাজ করে। শক্তি দক্ষতার উপর এই দ্বৈত সঙ্কটের সম্ভাব্য সমাধান হিসাবে টিপিপি প্রভাব অধ্যয়ন করা হয়। যদিও অতীতে এই ক্ষেত্রে কিছু উন্নতি এবং তাত্ত্বিক তদন্ত করা হয়েছে, তবে 2006 সালে সিলিকন-এ বাহরাম জালালি এবং সহকর্মীরা প্রথমবার সংখ্যাসূচক এবং পরীক্ষামূলকভাবে প্রভাবটির সুনির্দিষ্ট প্রয়োগ বিশ্লেষণ করেছিলেন। পদার্থবিজ্ঞানের টিপিপি প্রভাব যন্ত্রগুলি পার্শ্বীয় পি-এন জংশন ডায়োড সহ ওয়েভগাইডগুলির উপর ভিত্তি করে তৈরি, যেখানে জংশন x-y ক্রস-সেকশনের লম্বভাবে জেড-দিক বরাবর টিপিএ এবং ফ্রি-ক্যারিয়ার শোষণের (এফসিএ) কারণে পাম্পের শক্তি অরৈখিকভাবে হারিয়ে যায়। সংযুক্ত আলোকীয় তীব্রতা নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা পরিচালিত হয়ঃ যেখানেঃ রৈখিক শোষণ সহগ; টিপিএ সহগ; এবং এফসিএ সহগ বলা হয় যা সোরেফের অভিব্যক্তি দ্বারা দেওয়া হয়। বাহক ফোটোজেনারেশন হার দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয়ঃ যেখানে ফোটনের শক্তি এবং ফ্যাক্টরটি এই প্রক্রিয়ার সাথে জড়িত দুটি ফোটনের কারণে হয়। প্রতি একক দৈর্ঘ্যে ফোটোক্র্যান্টঃ, যেখানে ওয়েভগাইডের কার্যকরী এলাকা এবং ইলেকট্রন চার্জ। দৈর্ঘ্যের একটি ওয়েভগাইডের জন্য, আমরা এখানে কাপল্ড পাম্পের তীব্রতা হিসাবে সংজ্ঞায়িত করি। অতএব, আমরা নিম্নলিখিত অভিব্যক্তিটি পাইঃ এই শেষ অভিব্যক্তিটিকে কার্যকরী দৈর্ঘ্য বলা হয় যা অপটিক্যাল ফাইবারে সংজ্ঞায়িত মিথস্ক্রিয়া দৈর্ঘ্যের সমতুল্য অরৈখিক। মোট তড়িৎপ্রবাহে বাহক ইনজেকশন এবং পুনঃসংযোগের অবদানও বিবেচনা করা প্রয়োজন যাতে মোট ফটোডিয়োড তড়িৎ প্রবাহকে এভাবে প্রকাশ করা যায়ঃ শক্লি সমীকরণটি একটি আদর্শ ডায়োডের আই-ভি (তড়িৎ-ভোল্টেজ) বৈশিষ্ট্য দেয়ঃ এর মানকে বিপরীত পক্ষপাত সম্পৃক্ততা তড়িৎ প্রবাহ বলা হয় এবং এর দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয়ঃ যেখানে এবং চিত্রে সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে। 1 এবং অবশিষ্ট প্যারামিটারগুলির স্বাভাবিক অর্থ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলির রেফারেন্স সেজের পদার্থবিজ্ঞানে সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে। শকলি সমীকরণটি বৈধ কারণ পি-এন ডায়োডে এন এবং পি ডোপড অঞ্চলে ফোটোজেনারেশন নগণ্য। এটি প্রচলিত সৌর কোষ তত্ত্বের বিপরীতে, যেখানে চিত্রের মতো এন এবং পি ডোপড অঞ্চলে আলোক উৎপাদন প্রধানত ঘটে। 2. পিন কাঠামোর কারণে (চিত্র 2) আমাদের পুনর্মিলন প্রবাহকে বিবেচনা করতে হবে যা আমরা শকলি-রিড-হল পুনর্মিলন দ্বারা আনুমানিকভাবে প্রদত্তঃ যেখানে Fig.1-এ সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে, তা হল কার্যকর বাহক ঘনত্ব এবং এবং যথাক্রমে ইলেক্ট্রন এবং গর্তের বাল্ক পুনঃসংযোগ জীবনকাল। একটি বর্তনীতে, শক্তি অপচয় বলতে প্রতিরোধমূলক উপাদানগুলির কারণে শক্তি হারানোর হারকে বোঝায় এবং ঐতিহ্যগতভাবে নিম্নরূপ সংজ্ঞায়িত করা হয়ঃ আমরা এখন সংগ্রহের দক্ষতাকে সংজ্ঞায়িত করি, যা টিপিএ দ্বারা ব্যবহৃত বাহক/ফোটনের সংখ্যাঃ এটি পরিবর্ধক এবং তরঙ্গদৈর্ঘ্য রূপান্তরকারীগুলির মতো যন্ত্রগুলির জন্য উপযুক্ত যেখানে শক্তি সংগ্রহ একটি দরকারী উপজাত কিন্তু যন্ত্রটির প্রধান কার্যকারিতা নয়। যদি টিপিপি প্রভাব একটি ফটোভোলটাইক কোষে ব্যবহার করার উদ্দেশ্যে করা হয়, তবে শক্তি দক্ষতা বিবেচনা করা উচিত। প্রথমত, বাহ্যিক কোয়ান্টাম দক্ষতা দ্বারা দেওয়া হয়, যেখানে তরঙ্গ নির্দেশিকার মধ্যে আলোর সংযোগ দক্ষতাকে বোঝানো হয় এবং যা আনুমানিক করা যেতে পারেঃ পরিশেষে, শক্তি দক্ষতা দ্বারা দেওয়া হয়ঃ মধ্যবর্তী ব্যান্ড প্রচলিত সৌর কোষগুলি একটি অর্ধপরিবাহীর ভ্যালেন্স (ভিবি) এবং পরিবহন ব্যান্ড (সিবি)-এর মধ্যে এক-ফোটন রূপান্তরের উপর নির্ভর করে। ব্যান্ডগ্যাপে একটি মধ্যবর্তী অবস্থার ব্যবহার প্রথম 1997 সালে লুক এবং মার্টি দ্বারা বর্ণনা করা হয়েছিল। তারা দেখিয়েছেন যে একটি সৌর কোষের ব্যান্ড রেখাচিত্রে একটি মধ্যবর্তী স্তর যোগ করার মাধ্যমে, তাত্ত্বিক দক্ষতার সীমা শক্লি-কুইসার মডেলের বাইরেও উন্নত করা যেতে পারে। সাব-ব্যান্ডগ্যাপ ফোটন ধরার মাধ্যমে এই উন্নতি সম্ভব। একটি মধ্যবর্তী ব্যান্ডের উপস্থিতি এই ধরনের ফোটনগুলির শোষণের অনুমতি দেবে যার ফলে ইলেকট্রন-গর্ত জোড়া তৈরি হবে, যা সরাসরি অপটিক্যাল ট্রানজিশন দ্বারা তৈরি করা ফোটনগুলির সাথে যুক্ত হবে। দুটি স্বাধীন ইলেক্ট্রন উত্তেজনায়, ফোটনগুলি ভ্যালেন্স (ভিবি) থেকে ইন্টারমিডিয়েট ব্যান্ডে (আইবি) এবং ইন্টারমিডিয়েট (আইবি) থেকে কন্ডাক্শন ব্যান্ডে (ভিবি) রূপান্তরিত হয়। সর্বোত্তম ফলাফল অর্জনের জন্য, যে কোনও যন্ত্র এবং প্রক্রিয়াগুলি আদর্শ বলে মনে করা হয় কারণ সম্পর্কিত অবস্থার মধ্যে রয়েছে অসীম বাহক গতিশীলতা, পছন্দসই ফোটনের সম্পূর্ণ শোষণ, ইলেক্ট্রন দান এবং গ্রহণ উভয়ের জন্য আইবি-র আংশিক ভর্তি এবং আইবি থেকে বিদ্যুৎ উত্তোলনের কোনও সম্ভাবনা নেই। এই কাঠামোর মধ্যে, একটি মধ্যবর্তী-ব্যান্ড সৌর কোষের (আইবিএসসি) সীমিত দক্ষতা 63.1% হিসাবে গণনা করা হয়েছে। একটি মধ্যবর্তী ব্যান্ডের উপস্থিতি বিভিন্ন কৌশলের ফলাফল হতে পারে, তবে সবচেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে স্ফটিক কাঠামোতে অমেধ্য প্রবর্তনের ফল। একাধিক বিরল-পৃথিবীর উপাদানগুলি এইভাবে একটি অর্ধপরিবাহী উপাদানের ব্যান্ডগুলির মধ্যে প্রয়োজনীয় অবস্থা তৈরি করতে পরিচিত। এই ধরনের অমেধ্যের ঘনত্ব বৃদ্ধি একটি মধ্যবর্তী ব্যান্ড গঠনের সম্ভাবনার দিকে পরিচালিত করে, যেমনটি জিএএ-র মিশ্র ধাতুতে প্রদর্শিত হয়েছে। একটি আকর্ষণীয় বিকল্প হল কোয়ান্টাম ডট প্রযুক্তির ব্যবহার। একটি সৌর কোষ একটি কোয়ান্টাম বিন্দু কাঠামোর একটি অঞ্চল অন্তর্ভুক্ত করার জন্য ডিজাইন করা যেতে পারে যা কাঙ্ক্ষিত সীমাবদ্ধ অবস্থাকে প্ররোচিত করে। 2001 সালে, মার্টি এট আল। অর্ধেক পূর্ণ ব্যান্ডের শর্ত পূরণের জন্য একটি সম্ভাব্য পদ্ধতির প্রস্তাব দেওয়া হয়েছিল। কোন উপকরণগুলি এই জাতীয় কাঙ্ক্ষিত বৈশিষ্ট্যগুলির পাশাপাশি এই জাতীয় উপকরণগুলির সংশ্লেষণ প্রদর্শন করে সে সম্পর্কে এখনও সক্রিয় গবেষণা রয়েছে। একটি আই. বি. এস. সি যন্ত্রের মৌলিক কার্যকারিতা প্রথম মার্টি এট আল দ্বারা একটি ফটোকারেন্ট উৎপাদনে কার্যকর বলে প্রমাণিত হয়েছিল। 2006 সালে। উপাদান সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি এতটাই প্রাসঙ্গিক যে স্ফটিক কাঠামোতে অমেধ্য ("ডোপিং") প্রবর্তনের মাধ্যমে তাদের পরিবাহী বৈশিষ্ট্যগুলি কার্যকর উপায়ে পরিবর্তন করা যেতে পারে। যেখানে একই স্ফটিকের মধ্যে দুটি ভিন্ন-ডোপড অঞ্চল বিদ্যমান, সেখানে একটি অর্ধপরিবাহী জংশন তৈরি হয়। এই সংযোগস্থলগুলির বিকাশ ডায়োড, ট্রানজিস্টর এবং সমস্ত আধুনিক ইলেকট্রনিক্সের ভিত্তি। সেমিকন্ডাক্টরের উদাহরণ হল সিলিকন, জার্মেনিয়াম, গ্যালিয়াম আর্সেনাইড। সিলিকন-এর পরে গ্যালিয়াম আর্সেনাইড হল দ্বিতীয় সর্বাধিক প্রচলিত অর্ধপরিবাহী। শক্তিশালী সিলিকন উৎপাদন পরিকাঠামোর সুবিধা নিয়ে কম খরচের ফটোনিক যন্ত্র তৈরি করার আকাঙ্ক্ষার কারণে 1980-এর দশকের শেষের দিকে এবং 1990-এর দশকের গোড়ার দিকে সোরেফ এবং পিটারম্যানের অগ্রগামী কাজের পর থেকে সিলিকন (সি) ফটোনিক্স ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে। সিলিকন ওয়েফারগুলির সর্বনিম্ন খরচ (প্রতি ইউনিট এলাকা) এবং যে কোনও অর্ধপরিবাহী উপাদানের সর্বোচ্চ স্ফটিক গুণমান রয়েছে। যাইহোক, সিলিকন ফটোনিক্সের ক্ষেত্রে আরও শক্তিশালী। সিলিকন-এর চমৎকার উপাদানগত বৈশিষ্ট্য রয়েছে যা ফোটোনিক যন্ত্রগুলিতে গুরুত্বপূর্ণঃ উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (জিএএ-এর চেয়ে ~ 10 × বেশি), উচ্চ আলোকীয় ক্ষতির সীমা (জিএএ-এর চেয়ে ~ 10 × বেশি), উচ্চ তৃতীয়-ক্রমের আলোকীয় অরৈখিকতা এই শেষ বিন্দুটি আসলে টিপিপি প্রভাব পরীক্ষার জন্য প্রয়োজনীয়। সিলিকন (এন = 3.45) এবং সিও2 (এন = 1.45)-এর মধ্যে উচ্চ সূচক বৈসাদৃশ্য ফোটোনিক যন্ত্রগুলিকে শত শত ন্যানোমিটার স্তরে স্কেল করা সম্ভব করে তোলে। আইসি প্রক্রিয়াকরণের সাথে সত্যিকারের সামঞ্জস্যের জন্য এই ধরনের পার্শ্বীয় এবং উল্লম্ব মাত্রা প্রয়োজন। উপরন্তু, বড় সূচক বৈসাদৃশ্য (সি এবং সিও2-এর মধ্যে) থেকে উদ্ভূত উচ্চ আলোকীয় তীব্রতা চিপ-স্কেল ডিভাইসে রমন এবং কের প্রভাবের মতো অরৈখিক আলোকীয় মিথস্ক্রিয়া পর্যবেক্ষণ করা সম্ভব করে তোলে। এই কারণগুলির জন্য, সিলিকন সাধারণত প্রচলিত ফটোভোলটাইক প্রভাবের উপাদান হিসাবে ব্যবহৃত হয়। শকলি-কুইসার সীমার কারণে জানা যায় যে একটি একক পিএন জংশন ফটোভোলটাইক কোষের সর্বাধিক সৌর রূপান্তর দক্ষতা 1.34eV এর ব্যান্ডগ্যাপের জন্য প্রায় 33.7%। যাইহোক, সিলিকন-এর ব্যান্ডগ্যাপ 1.1eV, যা 32 শতাংশ দক্ষতার সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। যাইহোক, টিপিপি প্রভাবের জন্য (7)-এ সংজ্ঞায়িত সংগ্রহ দক্ষতার ফলাফলগুলি চিত্র 4-এ বিভিন্ন পাম্প তীব্রতার সাথে ভোল্টেজের ফাংশন হিসাবে অঙ্কিত করা হয়েছে। একটি ভাল চুক্তি চিত্রে দেখানো হয়েছে। 4টি পরীক্ষামূলক, বিশ্লেষণাত্মক এবং সংখ্যাসূচক সিমুলেটেড মডেলের মধ্যে। তথ্যের একটি ইন্টারপোলেশন করা যেতে পারে যাতে নিম্ন উচ্চ পাম্পগুলির জন্য সংগ্রহের দক্ষতা প্রায় 43 শতাংশ দেখানো যায়, যা প্রকৃতপক্ষে 50 শতাংশে নির্ধারিত তাত্ত্বিক সীমার কাছাকাছি। তবে, উচ্চ পাম্পের তীব্রতার ক্ষেত্রে এটি ঠিক একই রকম নয়। সংগ্রহের দক্ষতার এই সীমাটি প্রায় 5.5% এর তুলনামূলকভাবে কম অন্তর্নিহিত দক্ষতার দিকে পরিচালিত করে। যে কোনও কল্পনাযোগ্য উপায় যা বিটার উন্নতি করে তা বর্তমান পদ্ধতির শক্তি দক্ষতা বাড়িয়ে তুলতে পারে এবং স্বল্পতর তরঙ্গদৈর্ঘ্য বৃদ্ধিতে এফসিএ কম হয়। এই দুটি প্রভাবের সংমিশ্রণ টিপিপি প্রভাবের পূর্বাভাসের উপর একটি উচ্চ সীমা দক্ষতায় অনুবাদ করা যেতে পারে। গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (জিএএ) উচ্চ মূল্যের, উচ্চ দক্ষতার সৌর কোষের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ অর্ধপরিবাহী উপাদান এবং এটি একক-স্ফটিকাকার পাতলা-ফিল্ম সৌর কোষের পাশাপাশি বহু-সংযোগকারী সৌর কোষের জন্য ব্যবহৃত হয়। টিপিএ-র কাছে হারিয়ে যাওয়া প্রতিটি দুটি ফোটন অর্ধপরিবাহী উপাদানের মধ্যে একটি করে ইলেক্ট্রন-গর্ত জোড়া তৈরি করে এবং এই ফটোজেনারেটেড বাহকগুলি ফটোভোলটাইককে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তরিত করার জন্য উপলব্ধ, যেমনটি চিত্র 5-এ দুটি নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের জন্য দেখানো হয়েছে। গ্যালিয়াম আর্সেনাইডে (জিএএ) টি. পি. এ পরীক্ষামূলকভাবে পর্যবেক্ষণ করা হয়েছে এবং এর সহগ, β, জিএএ-তে 1.3 মাইক্রোমিটার-এ গণনা করা হয় 42.5 সেমি/জিডব্লিউ (সিলিকন-এরঃ 3.3 সেমি/জিডব্লিউ-এর তুলনায় অনেক বেশি)। উপরন্তু, 1.55 মাইক্রোমিটার টেলিযোগাযোগ তরঙ্গদৈর্ঘ্যে, β সিলিকোনে 0.7 সেমি/জিডব্লিউ-এর তুলনায় জিএএ-তে প্রায় 15 সেমি/জিডব্লিউ বলে জানা গেছে। সুতরাং, জিএএ-তে টিপিপি প্রভাব আরও শক্তিশালী হবে বলে আশা করা হচ্ছে। তাত্ত্বিক বিশ্লেষণের সাথে তুলনা করার জন্য পরীক্ষামূলক তথ্য পাওয়ার জন্য, চিত্র 6 চিত্রিত করে যে কীভাবে পি-আই-এন জংশন ডায়োড ব্যবহার করে একক-মোড জিএএ/অ্যালজিএ ওয়েভগাইডে টিপিপি উপলব্ধি করা যেতে পারে। শকলি-রিড-হল পুনর্মিলনকে এই মোডে বিবেচনা করা হয়, ধরা যাক ট্র্যাপ শক্তির স্তরটি ব্যান্ডগ্যাপের মাঝখানে অবস্থিত। ইলেক্ট্রন এবং গর্তের বাল্ক রিকম্বিনেশন জীবনকাল, এবং, বাল্ক জিএএ-তে 10−8 সেকেন্ডের ক্রমের হয়, বাল্ক সিলিকন-এর তুলনায় প্রায় 2 ক্রমের মাত্রা ছোট। পৃষ্ঠের পুনঃসংযোগ টিপিপি প্রভাবের শক্তি দক্ষতা হ্রাস করে কারণ ইলেকট্রন এবং গর্তগুলি যোগাযোগে সংগ্রহ করার আগে পুনরায় মিলিত হয়। বৃহত্তর β-এর কারণে টিপিপি প্রভাব 976 এনএম-এ আরও কার্যকর। 150 মেগাওয়াট ক্ষমতাসম্পন্ন একটি 5 সেন্টিমিটার দীর্ঘ যন্ত্রের জন্য তাত্ত্বিকভাবে 8 শতাংশ পর্যন্ত বিদ্যুৎ দক্ষতার পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছে যা সিলিকোনে অর্জনযোগ্য যন্ত্রের তুলনায় বেশি। সম্ভাব্য প্রয়োগ দুই-ফোটন ফটোভোলটাইক প্রভাবের একটি সম্ভাব্য প্রয়োগ হল জটিল পরিবেশে ইনস্টল করা শারীরিক সেন্সরগুলিতে দূরবর্তী শক্তি সরবরাহ যেখানে বৈদ্যুতিক স্ফুলিঙ্গ বিপজ্জনক এবং তামার তারগুলি অবশ্যই এড়ানো উচিত। তথ্যসূত্র বৈদ্যুতিক ঘটনা শক্তি রূপান্তর