Hvad er energibåndsafstanden i solceller?

Indhold

1. Introduktion
2. Hvad er et båndgap?
3. Hvorfor er båndgapet vigtigt?
4. Hvorfor betragtes et båndgap på 1,5 eV som optimalt?
5. Båndgap for forskellige materialer
6. Optimering af båndgap og praktiske anvendelser
7. Konklusion

Introduktion

Processen med at generere elektricitet ved hjælp af solpaneler afhænger primært af et afgørende trin. Elektroner bevæger sig fra valensbåndet (inden for PN-overgangen i solpanelet) til ledningsbåndet (det eksterne kredsløb, såsom et batteri). Elektroner, der befinder sig i valensbåndet uden ekstern energi, kaldes sådanne. For at producere elektricitet skal disse elektroner bevæge sig over i det eksterne kredsløb, også kendt som ledningsbåndet.

Elektroner bevæger sig ikke fra valensbåndet til ledningsbåndet af sig selv. En vis mængde energi (kaldet båndgap) skal tilføres for at lette denne overgang.

Hvad er et båndgap?

Båndgapet er et kritisk begreb i halvledermaterialer og refererer til den minimale energi, der kræves for at elektroner kan hoppe til et højere energiniveau. Dette svarer til, at børn skal have tilstrækkelig kraft for at hoppe til den næste firkant i et hvidt skakbræt. Størrelsen på båndgapet bestemmer det spektrum af fotonvåglængder, et materiale kan absorbere, hvilket er afgørende for at generere strøm i solpaneler ved effektivt at absorbere fotoner over det solare spektrum. Varierende båndgapstørrelser gør det muligt for materialer at optimere fotonabsorption i høj- eller lavenergi-lyskområder, hvilket tilpasser sig forskellige miljø- og anvendelsesbehov.

For ledere er der ingen afstand mellem ledningsbåndet og valensbåndet, så ledningsbåndet er fyldt med elektroner, hvilket gør materialet meget ledende. I kontrast har isolatorer en stor afstand mellem valensbåndet og ledningsbåndet, hvilket forhindrer elektroner i valensbåndet i at hoppe til ledningsbåndet, hvilket gør materialet ikke-ledende. Halvledere har et båndgap, der ligger mellem disse to yderpunkter, hvilket normalt gør dem ikke-ledende. Når energi tilsættes (gennem lys, varme osv.), kan elektroner i valensbåndet bevæge sig til ledningsbåndet, hvilket tillader materialet at lede elektricitet.

Hvorfor er båndgapet vigtigt?

Solceller fungerer ved at absorbere energi fra sollys, hvilket får elektroner til at hoppe til højere energiniveauer og skabe en elektrisk strøm. Båndgapet bestemmer, hvilke energipartikler (fotoner) i sollyset solcellen kan absorbere. Hvis båndgapet er for stort, har mange fotoner ikke tilstrækkelig energi til at få elektronerne til at hoppe. Hvis båndgapet er for lille, vil overskydende energi blive spildt. Derfor tillader det rigtige båndgap solceller at konvertere sollys til elektricitet mere effektivt.

Hvorfor betragtes et båndgap på 1,5 eV som optimalt?

Når fotoner exciterer elektroner tæt på båndgapet af en halvleder, kan tre situationer opstå:

1. Når energien af en foton er mindre end halvlederens båndgapenergi, absorberer elektronerne ikke fotonens energi, og fotonen passerer gennem halvlederen. Dette kaldes transparens tab.
2. Hvis fotonens energi er lig med halvlederens båndgapenergi, absorberer elektronerne fotonens energi og hopper fra valensbåndets maksimum (VBM) til ledningsbåndets minimum (CBM). Det indbyggede elektriske felt i PN-overgangen adskiller disse elektroner, og den absorberede fotonens energi omdannes fuldt ud til elektrisk energi.
3. Hvis fotonens energi er større end halvlederens båndgapenergi, absorberer elektronerne fotonens energi og hopper til en position højere end ledningsbåndets minimum (CBM). Overskydende energi frigives derefter som varme gennem en proces kaldet relaxation, kendt som termaliserings tab. Elektronerne falder til sidst tilbage til ledningsbåndets minimum, og det indbyggede elektriske felt adskiller dem, hvilket konverterer en del af fotonens energi til elektrisk energi.

Konklusioner baseret på beskrivelsen ovenfor:

1. Et større båndgap betyder, at flere lavenergi fotoner ikke kan excitere elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. Derfor bliver flere fotoner ikke absorberet, hvilket fører til større transparens tab. Kort sagt, jo større båndgap, jo større transparens tab. Dette er repræsenteret af den stiplede linje i grafen fra nederste venstre til øverste højre.
2. Et mindre båndgap resulterer i, at flere fotoner absorberes. Dog bliver overskydende energi fra disse fotoner dissiperet som varme gennem relaxation processer, hvilket øger termaliserings tabet. Kort sagt, jo mindre båndgap, jo større termaliserings tab. Dette vises af den stiplede linje i grafen fra øverste venstre til nederste højre.

I sidste ende kan den faktiske effektivitet af at konvertere sollys til elektricitet, η, beskrives som:

η = 1 - Transparens tab - Termaliserings tab

Den faste linje på grafen viser, at denne effektivitet topper i midten og falder i begge ender. Dette er let at forstå: når båndgapet er for stort, bliver næsten ingen fotoner absorberet, hvilket resulterer i næsten nul elektricitet konverteringseffektivitet. Tilsvarende, når båndgapet er for lille, går det meste af fotonenergien tabt som varme efter absorption, hvilket også fører til næsten nul effektivitet. Den maksimale effektivitet opstår et sted i midten, typisk mellem 1,0 eV og 1,5 eV, som vist på grafen. Det er vigtigt at bemærke, at denne graf muligvis ikke repræsenterer forholdene under AM1.5-spektrumet, hvor et båndgap omkring 1,5 eV er optimalt.

Båndgap af forskellige materialer

1. Silicium
   Silicium er et af de vigtigste materialer for de nuværende mainstream solceller. Det har et båndgap på cirka 1,1 elektronvolt (eV), hvilket gør det i stand til effektivt at konvertere et bredt spektrum af sollys bølgelængder. Effektiviteten af siliciumbaserede solceller er grundigt valideret, med laboratorietests der viser, at monokrystallinske siliciumsolceller opnår op til 26,7% konverteringseffektivitet, mens kommercielle produkter typisk når omkring 20%. Dette materiale er velegnet til forskellige globale solradiationsforhold og tilbyder fremragende stabilitet og en lang levetid. Data viser, at fotovoltaiske systemer, der bruger siliciumsolceller, generelt har en levetid på over 25 år.

Siden 2008 har Maysun Solar været dedikeret til at producere højkvalitets siliciumfotovoltaiske moduler. Maysun Solar tilbyder en række TOPCon-, IBC-, og HJT-solpaneler samt balkon-solkraftstationer. Disse solpaneler har fremragende ydeevne og stilfuldt design, som sømløst integreres med enhver bygning. Maysun Solar har med succes etableret kontorer og lagre i mange europæiske lande og har langvarige partnerskaber med fremragende installatører! Du er velkommen til at kontakte os for de nyeste modulpriser eller eventuelle fotovoltaiske forespørgsler. Vi er glade for at assistere dig.

2. Perovskit

Perovskitmaterialer kan justere deres båndgap gennem kemisk syntese, hvilket giver potentiale til at forbedre effektiviteten og reducere fremstillingsomkostningerne. Typisk spænder båndgapet af perovskit-solceller fra 1,5 til 2,3 elektronvolt (eV), hvilket gør dem i stand til effektivt at absorbere det synlige lys i sollys. I de seneste år har disse solceller set en hurtig stigning i effektiviteten, fra mindre end 4% i 2009 til over 25% i dag. De kan kombineres med silicium for at danne tandemsolceller, hvilket øger den samlede effektivitet og drager fordel af lavtemperaturfremstillingsprocesser, der betydeligt reducerer produktionsomkostningerne.

Forskere ved University of Cambridge fokuserer på perovskitmaterialer til fleksible LEDs og næste generations solceller. De har fundet, at forenkling af den kemiske sammensætningssekvens kan forbedre effektiviteten markant og reducere produktionsomkostningerne. I øjeblikket er der bestræbelser på at tackle stabilitets- og miljømæssige holdbarhedsproblemer, med det mål at fremme deres store kommercielle anvendelse.

3. Andre Materialer

Forskere verden over undersøger avancerede materialer som cadmium-gallium-selenid (CIGS), gallium-nitrit, germanium og indiumfosfid. Disse materialer er designet til effektivt at justere båndgap-grænserne for multi-junction solceller, så hele sollys-spektret kan konverteres til elektricitet.

Cadmium-gallium-selenid (CIGS) og lignende materialer har et relativt smalt båndgap (ca. 1,0 til 1,7 elektronvolt, eV), hvilket gør dem i stand til at præstere godt under lavbelysningsforhold. CIGS-solceller opretholder høj effektivitet, selv på overskyede dage og i svagt lys, hvilket gør dem særligt velegnede til specifikke miljøforhold. For eksempel, i dele af Europa, hvor solens intensitet er lavere året rundt, viser CIGS-solpaneler betydelige præstationsfordele. Under laboratoriebetingelser har CIGS-solceller opnået konverteringseffektivitet på op til 23,4%, mens kommercielle produkter typisk ligger mellem 15% og 18%. Derudover er CIGS-materialer fleksible og kan anvendes til fremstilling af bøjbare solceller, hvilket giver flere muligheder for bygningsintegrerede fotovoltaiske systemer og bærbare enheder.

Båndgap-Optimering og Praktiske Anvendelser

Båndgap-optimering er en nøgleteknologi for at forbedre solcellernes ydeevne. Ved præcist at justere båndgapet af materialer kan der opnås betydelige forbedringer i den fotovoltaiske konverteringseffektivitet og anvendelsesmuligheder. I praktiske anvendelser er virkningen af båndgap-optimering tydelig i flere aspekter:

1. Forbedring af Fotovoltaisk Konverteringseffektivitet:Optimering af båndgapet i materialer gør det muligt for solceller at absorbere og konvertere fotoner mere effektivt på tværs af solens spektrum. For eksempel, ved at anvende multi-junction solcelleteknologi, som lagrer materialer med forskellige båndgaps, maksimeres absorptionen af forskellige bølgelængder af lys, hvilket betydeligt øger den samlede effektivitet. Denne teknologi har allerede opnået laboratorieeffektivitet på over 40% i rumsolceller og høj-effektiv anvendelse på land.
2. Tilpasning til Forskellige Miljøforhold:Materialer med forskellige båndgaps er egnede til varierende miljøforhold. Materialer med bredere båndgaps, som silicium, kan fungere stabilt under et bredt spektrum af solstråling, mens materialer med smallere båndgaps, såsom CIGS, præsterer godt under lavbelysningsforhold. Gennem båndgap-optimering kan solceller designes til at tilpasse sig forskellige klimaer og lysforhold, hvilket øger deres global anvendelighed.
3. Reducerer Produktionsomkostninger:Båndgap-optimering forbedrer ikke kun effektiviteten, men sænker også produktionsomkostningerne gennem materialer og procesinnovationer. For eksempel udviser perovskitmaterialer fremragende båndgap-justeringsmuligheder og omkostningseffektive fremstillingsprocesser, med hurtig kommercialisering. Optimering af båndgapet kan muliggøre mere effektive fremstillingsprocesser, hvilket reducerer omkostningerne pr. watt og forbedrer markedsadgang.
4. Drivkraft for Udvikling af Nye Fotovoltaiske Materialer:Båndgap-optimeringsteknikker driver udviklingen af nye fotovoltaiske materialer, såsom organiske-inorganiske halid-perovskitter og kvanteprikker-materialer. Disse nye materialer, med præcist justerede båndgaps, viser højere effektivitet og bredere anvendelsespotentiale. I fremtiden forventes disse teknologier at muliggøre innovative anvendelser såsom bærbare fotovoltaiske enheder og bygningsintegrerede fotovoltaiske systemer.

Konklusion

Afslutningsvis spiller båndgap-optimering en afgørende rolle i praktiske anvendelser ved ikke kun at forbedre effektiviteten af solceller, men også ved at forbedre deres tilpasningsevne, reducere omkostninger og drive udviklingen af nye teknologier. Med kontinuerlige fremskridt inden for materialvidenskab og fremstillingsprocesser vil båndgap-optimering yderligere fremme den udbredte anvendelse og udvikling af solenergi-teknologi og danne grundlag for fremtidens globale vedvarende energi.

Referencer:

Solceller: A Guide to Theory and Measurement. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Hvorfor er solceller så ineffektive? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22. februar). Solcellers energibåndsgab. Sinovoltaics (Hong Kong Office). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Forklaret: Båndgab. (2010, 23. juli). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

Læs mere: