외인성 반도체(extrinsic semiconductor)

불순물에 의해 생성된 전자와 홀을 무시할 수 없을 때 외인성 반도체라 부른다. 

가전자가 4개인 Si에 5개의 가전자를 가지는 5족 원소인 P가 도핑되면 P의 전자 하나가 매우 느슨하게 P원자에 결합되어 상온에서도 이온화가 된다. 결과적으로 음전하인 전도 전자가 생성된다. 이 경우 Si는 n 타입 반도체가 되고 P를 도너라 부른다.

완전한 이온화 조건하에서, 전자(다수 캐리어)의 농도는 n = ND로 표현된다(ND는 도너 농도이다). 도너는 양의 전하를 갖는 움직일 수 없는 원자이다. 열적 평형 상태에서 외인성 반도체에서도 np =  ni^2(Law of Mass Action)가 만족되기 때문에 홀 농도(소수 캐리어)는 p = ni^2/ND, 따라서 페르미 준위는 다음과 같이 표현된다. 

                            Nc

Ec- Ef = kT ❲ In  ------- ❳  , 여기서 Nc는 conduction band에서의 유효 전자 상태 밀도다

                            ND

따라서 페르미 준위는 도너 농도에 의해 제어될 수 있고 conduction band의 바닥과 가깝다. 

비슷하게, B와 같은 3족 원자가 Si에 불순물로써 도핑 되면, 가전자가 3개인 B원자는 이웃한 4개의 Si원자와 공유결합을 할때 전자 하나가 부족하게 되어 양전하인 전도 홀이 생성된다. 이것이 p 타입 반도체이고 B 원자를 업셉터라 한다. 완전한 이온화 조건하에서, 홀(다수 캐리어)의 농도는 p = NA로 표현된다( NA는 업세터 농도이다). 업셉터는 음의 전하를 갖는 움직일 수 없는 원자다. 전자(소수 캐리어) 농도는 n = ni^2/NA로 표현되고 페르미 준위는 다음과 같다. 

                             Nv

Ef - Ev = kT [ In ----- ] , 여기서 Nv는 valence band에서의 유효 홀 밀도다. 

                            NA

이 경우 페르미 에너지 준위는 valence band의 윗부분과 가깝게 위치한다. 

참고: nanostructured materials for solar energy conversion, Tetsuo Soga

유기 태양전지에서 업셉터 물질

폴리머/플러렌 조합에 기반한 BHJ에서 주로 플러렌 업셉터가 효과적인 전자 업셉터와 전자 전도체로써 손쉽게 역할을 한다.  

유기 태양전지에서 물질 연구의 주류는 최적화된 광학적 밴드갭을 갖는,  균형된 전하 수송을 위해 [60]PCBM의 전자 이동도와 비슷한 홀 이동도를 갖는, [60]PCBM의 LUMO 준위와 최적의 LUMO-LUMO offset을 갖는, 좋은 가공성과 화학적 안정을 갖는 새로운 더 좋은 올리고머 또는 폴리머 도너 물질 개발에 중점을 두고 있다. 

[70]PCB은(단지 이성질체(isomer)의 혼합물로써 가능하다. 반면 [60]PCBM은 단일 화합물이다) 휘발성이 있고 전자 이동도가 [60]PCBM에 비해 단지 약간 작은 진한 청색을 띈 녹색 광 흡수 업셉터이다. AM1.5 광조사하에서 광흡수와 엑시톤 확산이 두 상 모두에서 발생하고 홀과 전자 이동 과정이 모두 도너/업셉터 계면에서 일어난다. 

태양전지 활성층 내에서 플러렌들과 그들의 용액 공정이 가능한 파생품들의 핵심 특성은 그들관 연관된 모든 공정에서 낮은 내부 재구성(reorganization) 에너지이다. 

이 낮은 재구성 에너지, 높은 분자의 분극률(polarizability), 그리고 고체의 비교적 높은 유전상수(εr=4)는 구체 모양과 π-공액 시스템으로 부터 기인하는 밀접한 관계가 있는 특성들이다. 

참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013.