Hva er energibåndgapet til solcellepaneler?

Innhold

1. Introduksjon
2. Hva er et båndgap?
3. Hvorfor er båndgapet viktig?
4. Hvorfor anses et båndgap på 1,5 eV som optimalt?
5. Båndgapet til forskjellige materialer
6. Optimalisering av båndgap og praktiske anvendelser
7. Konklusjon

Introduksjon

Prosessen med å generere elektrisitet ved hjelp av solcellepaneler avhenger primært av et kritisk trinn. Elektroner går fra valensbåndet (innenfor PN-grensesnittet til solpanelet) til ledningsbåndet (ekstern krets, som et batteri). Elektroner som befinner seg i valensbåndet, uten ekstern energi, kalles dette. For å produsere elektrisitet må disse elektronene flytte seg til den eksterne kretsen, kjent som ledningsbåndet.

Elektroner går ikke fra valensbåndet til ledningsbåndet på egenhånd. En viss mengde energi (referert til som båndgap) må tilføres for å lette denne overgangen.

Hva er et båndgap?

Båndgap er et kritisk konsept i halvledermaterialer, og refererer til den minimale energien som kreves for at elektroner skal hoppe til et høyere energinivå. Dette er tilsvarende barn som trenger tilstrekkelig kraft for å hoppe til den neste ruten i hinkebrett. Størrelsen på båndgapet bestemmer spekteret av fotonlengder et materiale kan absorbere, noe som er avgjørende for å generere strøm i solcellepaneler ved effektivt å absorbere fotoner over hele det solare spekteret. Varierende båndgapstørrelser gjør det mulig for materialer å optimalisere fotonabsorpsjon i områder med høy eller lav energi, og tilpasse seg ulike miljømessige og applikasjonsmessige behov.

For ledere er det ingen gap mellom ledningsbåndet og valensbåndet, så ledningsbåndet er fylt med elektroner, noe som gjør materialet svært ledende. I motsetning til dette har isolatorer et stort gap mellom valensbåndet og ledningsbåndet, noe som hindrer elektroner i valensbåndet fra å hoppe til ledningsbåndet, noe som gjør materialet ikke-ledende. Halvledere har et båndgap som ligger mellom disse to ekstremene, noe som vanligvis gjør dem ikke-ledende. Når energi tilføres (gjennom lys, varme osv.), kan elektroner i valensbåndet bevege seg til ledningsbåndet, noe som gjør at materialet kan lede elektrisitet.

Hvorfor er båndgapet viktig?

Solceller fungerer ved å absorbere energi fra sollys, noe som får elektroner til å hoppe til høyere energinivåer og skape en elektrisk strøm. Båndgapet bestemmer hvilke energipartikler (fotoner) i sollyset solcellen kan absorbere. Hvis båndgapet er for stort, vil mange fotoner ikke ha nok energi til å få elektronene til å hoppe. Hvis båndgapet er for lite, vil overskuddsenergi gå tapt. Derfor tillater det rette båndgapet solceller å konvertere sollys til elektrisitet mer effektivt.

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

Når fotoner exciterer elektroner nær båndgapet til en halvleder, kan tre situasjoner oppstå:

1. Når energien til et foton er mindre enn halvlederens båndgapenergi, absorberer ikke elektronene fotonets energi, og fotonet passerer gjennom halvlederen. Dette kalles transparens tap.
2. Hvis fotonets energi er lik halvlederens båndgapenergi, absorberer elektronene fotonets energi og hopper fra valensbåndets maksimum (VBM) til ledningsbåndets minimum (CBM). Det innebygde elektriske feltet i PN-overgangen separerer disse elektronene, og konverterer fullt ut den absorberte fotonens energi til elektrisk energi.
3. Hvis fotonets energi er større enn halvlederens båndgapenergi, absorberer elektronene fotonets energi og hopper til en posisjon høyere enn ledningsbåndets minimum (CBM). Det overskytende energien frigjøres deretter som varme gjennom en prosess kalt avslapning, kjent som termaliserings tap. Elektronene faller til slutt tilbake til ledningsbåndets minimum, og det innebygde elektriske feltet separerer dem, og konverterer en del av fotonens energi til elektrisk energi.

Basert på beskrivelsen ovenfor kan vi trekke følgende konklusjoner:

1. Et større båndgap betyr at flere lavenergifotoner ikke kan excitere elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. Derfor blir flere fotoner ikke absorbert, noe som fører til større transparens tap. Enkelt sagt, jo større båndgapet er, desto større er transparens tapet. Dette er representert av den stiplede linjen i grafen fra nederste venstre til øverste høyre.
2. Et mindre båndgap resulterer i at flere fotoner blir absorbert. Imidlertid blir overskuddsenergien fra disse fotonene omdannet til varme gjennom avslapningsprosesser, noe som øker termaliserings tapet. Kort sagt, jo mindre båndgapet er, desto større er termaliserings tapet. Dette vises av den stiplede linjen i grafen fra øverste venstre til nederste høyre.

Til slutt kan den faktiske effektiviteten for å konvertere sollys til elektrisitet, η, beskrives som:

η = 1 - Transparens tap - Termaliserings tap

Den solide linjen på grafen viser at denne effektiviteten topper seg i midten og synker på begge ender. Dette er lett å forstå: når båndgapet er for stort, blir nesten ingen fotoner absorbert, noe som resulterer i nesten null effektivitet for elektrisitetskonvertering. På samme måte, når båndgapet er for lite, går mesteparten av fotonenergien tapt som varme etter å ha blitt absorbert, noe som også fører til nesten null effektivitet. Topp effektiviteten skjer et sted i midten, typisk mellom 1,0 eV og 1,5 eV, som vist på grafen. Det er viktig å merke seg at denne grafen kanskje ikke representerer forholdene under AM1.5-spektrummet, hvor et båndgap rundt 1,5 eV kan være optimal.

Båndgapet til ulike materialer

1. Silisium

Silisium er et av de viktigste materialene for dagens utbredte solceller. Det har et båndgap på omtrent 1,1 elektronvolt (eV), noe som gjør det i stand til å effektivt konvertere et bredt spekter av sollys bølgelengder. Effektiviteten til silisium-baserte solceller har blitt grundig verifisert, med laboratorietester som viser at monokrystallinske silisiumsolceller oppnår opptil 26,7 % konverteringseffektivitet, mens kommersielle produkter typisk når rundt 20 %. Dette materialet er godt egnet for varierte globale solradiationsforhold, og tilbyr utmerket stabilitet og lang levetid. Data indikerer at fotovoltaiske systemer som bruker silisiumsolceller generelt har en levetid på over 25 år.

Siden 2008 har Maysun Solar vært dedikert til å produsere høykvalitets silisium fotovoltaiske moduler. Maysun Solar tilbyr en rekke TOPCon, IBC, HJT solpaneler, samt balkong solkraftstasjoner. Disse solpanelene har utmerket ytelse og stilig design, og integreres sømløst med enhver bygning. Maysun Solar har etablert kontorer og lagre i mange europeiske land og har langvarige partnerskap med dyktige installatører! Vennligst kontakt oss for de nyeste modultilbudene eller eventuelle fotovoltaiske forespørseler. Vi er glade for å hjelpe deg.

2. Perovskitt

Perovskittmaterialer kan justere sitt båndgap gjennom kjemisk syntese, noe som gir potensial for å øke effektiviteten og redusere produksjonskostnadene. Typisk ligger båndgapet til perovskittsolceller mellom 1,5 og 2,3 elektronvolt (eV), noe som gjør dem i stand til å effektivt absorbere det synlige lysspekteret av sollys. De siste årene har disse solcellene opplevd en rask økning i effektivitet, fra mindre enn 4 % i 2009 til over 25 % i dag. De kan kombineres med silisium for å danne tandemsolceller, noe som øker den totale effektiviteten og drar nytte av lavtemperaturproduksjonsprosesser som betydelig reduserer produksjonskostnadene.

Forskere ved Universitetet i Cambridge fokuserer på perovskittmaterialer for fleksible LED-er og neste generasjons solceller. De har funnet ut at forenkling av den kjemiske sammensetningssekvensen kan forbedre effektiviteten betydelig og redusere produksjonskostnadene. For øyeblikket er det arbeid på å håndtere stabilitets- og miljøholdbarhetsproblemer, med mål om å muliggjøre deres storskalige kommersielle anvendelse.

3. Andre Materialer

Forskere over hele verden undersøker avanserte materialer som kadmium-gallium-selenid (CIGS), gallium-nitritt, germanium og indium-fosfid. Disse materialene er designet for å justere båndgapgrensene til multijunctionsolceller effektivt, slik at hele spekteret av sollys kan konverteres til elektrisitet.

Kadmium-gallium-selenid (CIGS) og lignende materialer har et relativt smalt båndgap (omtrent 1,0 til 1,7 elektronvolt, eV), noe som gjør at de fungerer godt under lav belysning. CIGS-solceller opprettholder høy effektivitet selv på overskyede dager og i svakt lys, noe som gjør dem spesielt egnet for spesifikke miljøforhold. For eksempel, i deler av Europa hvor sollysets intensitet er lavere gjennom året, viser CIGS-solpaneler betydelige ytelsesfordeler. Under laboratorieforsøk har CIGS-solceller oppnådd konverteringseffektivitet på opptil 23,4 %, mens kommersielle produkter typisk ligger mellom 15 % og 18 %. I tillegg er CIGS-materialer fleksible og kan brukes til å produsere bøyelige solceller, noe som gir flere valgmuligheter for bygning-integrerte fotovoltaiske systemer og bærbare enheter.

Båndgapoptimalisering og Praktiske Anvendelser

Båndgapoptimalisering er en nøkkelteknologi for å forbedre solcelleytelsen. Ved å justere båndgapet til materialer nøyaktig, kan betydelige forbedringer oppnås i fotovoltaisk konverteringseffektivitet og anvendelsesallsidighet. I praktiske anvendelser er virkningen av båndgapoptimalisering tydelig i flere aspekter:

1. Forbedring av Fotovoltaisk Konverteringseffektivitet:
   Optimalisering av båndgapet til materialer gjør solcellene i stand til å absorbere og konvertere fotoner mer effektivt over solspesteret. For eksempel, ved å bruke multijunctionsolcelleteknologi, som lagrer materialer med forskjellige båndgap, maksimeres absorpsjonen av forskjellige bølgelengder av lys, noe som betydelig øker den totale effektiviteten. Denne teknologien har allerede oppnådd laboratorieeffektiviteter over 40 % i romsolceller og høy-effektivitets terrestriske applikasjoner.
2. Tilpasning til Forskjellige Miljøforhold:
   Materialer med forskjellige båndgap er egnet for varierende miljøforhold. Materialer med bredere båndgap, som silisium, kan operere stabilt under et bredt spekter av solstråleforhold, mens materialer med smalere båndgap, som CIGS, utmerker seg under lav lysforhold. Gjennom båndgapoptimalisering kan solceller designes for å tilpasse seg ulike klimaer og lysforhold, noe som forbedrer deres anvendelighet globalt.
3. Reduksjon av Produksjonskostnader:
   Båndgapoptimalisering forbedrer ikke bare effektiviteten, men reduserer også produksjonskostnadene gjennom material- og prosessinnovasjoner. For eksempel, perovskittmaterialer viser utmerkede evner til å justere båndgapet og kostnadseffektive produksjonsprosesser, med rask kommersialisering. Optimalisering av båndgapet kan legge til rette for mer effektive produksjonsprosesser, redusere kostnad per watt og forbedre markedsutnyttelsen.
4. Drevne Utvikling av Nye Fotovoltaiske Materialer:
   Båndgapoptimaliseringsteknikker driver utviklingen av nye fotovoltaiske materialer, som organiske-uorganiske halide perovskitter og kvanteprikkmaterialer. Disse nye materialene, med presist justerte båndgap, demonstrerer høyere effektivitet og bredere anvendelsespotensial. I fremtiden forventes disse teknologiene å muliggjøre innovative applikasjoner som bærbare fotovoltaiske enheter og bygning-integrerte fotovoltaiske systemer.

Konklusjon

Avslutningsvis spiller båndgapoptimalisering en avgjørende rolle i praktiske anvendelser ved ikke bare å forbedre effektiviteten til solceller, men også ved å forbedre deres tilpasningsevne, redusere kostnader og drive utviklingen av nye teknologier. Med kontinuerlige fremskritt innen materialvitenskap og produksjonsprosesser, vil båndgapoptimalisering ytterligere fremme den utbredte adopsjonen og utviklingen av solenergi-teknologi, og legge grunnlaget for fremtiden for global fornybar energi.

Referanser:

Solceller: En guide til teori og måling. (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). Energibåndgapet til solceller. Sinovoltaics (Hong Kong Office). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

Les mer: