La movilidad de los portadores de carga en los materiales semiconductores es un parámetro importante para la utilidad de las células solares.
La luz que incide sobre una célula solar genera portadores de carga libres que producen una tensión eléctrica en los electrodos.
La movilidad de los portadores de carga en el material determina el flujo de corriente en la célula y, por tanto, influye en su rendimiento utilizable.
Los semiconductores utilizados en los sistemas fotovoltaicos presentan naturalmente una movilidad baja; para el silicio policristalino de las células solares, es de 1.000 a 10.000 veces menor que para el silicio de gran pureza, necesario en la fabricación de componentes.
La movilidad de los portadores de carga en los semiconductores puede medirse mediante el efecto Hall, según la norma ASTM F76-08.
El tipo (electrones o huecos) y la densidad de los portadores de carga, así como la movilidad de éstos en el material, pueden determinarse mediante una medición de resistencia.
Aunque la medición en un campo magnético constante (CC) está muy extendida, no es adecuada para la medición precisa de materiales con baja movilidad, como los relevantes para la tecnología de células solares, termoeléctrica o electrónica orgánica.
Efecto Hall y medición
Edwin Herbert Hall descubrió el efecto Hall, que lleva su nombre, en 1879. Observó que la corriente en un conductor puede verse influida por un campo magnético externo.
Si un conductor (semi) portador de corriente es penetrado perpendicularmente por un campo magnético, la fuerza de Lorentz provoca una componente de fuerza que actúa perpendicularmente a la dirección de movimiento de la carga, de modo que los portadores de carga son desviados hacia una trayectoria circular. Esto crea un gradiente de concentración de portadores de carga dentro del conductor a través de la dirección de la corriente. Hay una falta de electrones en un lado del conductor y una acumulación de portadores de carga en el lado opuesto. La tensión resultante se denomina tensión Hall UH. Depende de la intensidad de corriente I, la densidad de flujo magnético B, el grosor de la muestra d y una constante del material, el coeficiente Hall AH.
Ecuación 1:
Si el coeficiente Hall tiene un valor positivo, se trata de un «conductor de huecos» (tipo p); en la mayoría de los casos, un valor negativo significa un conductor de electrones (tipo n).
Las ecuaciones 2 y 3 muestran otras relaciones entre el coeficiente Hall AH, la resistencia específica ρ, la densidad de portadores de carga n y la movilidad μ, donde e es la carga elemental.
Ecuación 2:
Ecuación 3:
En condiciones de ensayo reales, la tensión Hall medida UHm puede verse influida por un componente de tensión de compensación UO y un componente de tensión termoeléctrica Uth.
Se ha desarrollado un método especial para eliminar los efectos perturbadores de las tensiones UO y Uth.
La tensión termoeléctrica puede eliminarse cambiando la dirección de la corriente y promediando después los valores absolutos.
La tensión de desplazamiento es consecuencia de la geometría de la muestra; se puede compensar invirtiendo el campo magnético, porque no depende de la dirección del campo.
Dado que el método de corriente continua a menudo conduce a una determinación incorrecta del tipo de portador de carga y a resultados imprecisos para la movilidad de los materiales de baja movilidad, se puede utilizar alternativamente un campo magnético alterno o una corriente alterna.
Esto se debe a que, mientras la tensión Hall se convierte en una tensión alterna, se pueden suprimir los componentes de tensión continua UO y Uth.
Se pueden medir tensiones Hall pequeñas y caracterizar materiales con baja movilidad de portadores de carga, de modo que los materiales fotovoltaicos en particular se pueden evaluar utilizando el método de corriente alterna.
