Какво е енергийният бандгеп на слънчевите клетки?

Съдържание

1. Въведение
2. Какво е бандгеп?
3. Защо бандгепът е важен?
4. Защо бандгепът от 1.5 eV се счита за оптимален?
5. Бандгеп на различни материали
6. Оптимизация на бандгепа и практически приложения
7. Заключение

Въведение

Процесът на генериране на електричество с помощта на слънчеви панели зависи основно от един ключов етап. Електроните преминават от валентната лента (в рамките на PN съединението на слънчевия панел) към проводниковата лента (външната схема, например батерия). Електроните, които се намират в валентната лента, без външна енергия, се наричат такива. За да се произведе електричество, тези електрони трябва да преминат в външната схема, известна като проводникова лента.

Електроните не преминават от валентната лента в проводниковата лента самостоятелно. Необходимо е определено количество енергия (наречено бандгеп), за да се улесни този преход.

Какво е бандгеп?

Бандгепът е ключова концепция в полупроводниковите материали и се отнася до минималната енергия, необходима за електроните да преминат на по-високо енергийно ниво. Това е подобно на деца, които се нуждаят от достатъчно сила, за да скочат на следващия квадрат в играта "скачане на квадратчета". Размерът на бандгепа определя обхвата на фотонните дължини на вълната, които материалът може да абсорбира, което е от съществено значение за генерирането на ток в слънчевите панели чрез ефективно абсорбиране на фотони от слънчевия спектър. Различните размери на бандгепа позволяват на материалите да оптимизират абсорбцията на фотони в региони на висока или ниска енергия на светлината, адаптирайки се към разнообразни екологични и приложни нужди.

При проводниците няма разстояние между проводниковата лента и валентната лента, така че проводниковата лента е запълнена с електрони, което прави материала много проводим. В контекста на изолаторите съществува голям разрив между валентната лента и проводниковата лента, което предотвратява преминаването на електрони от валентната лента в проводниковата лента, правейки материала не проводим. Полупроводниците имат бандгеп, който е между тези две крайности, обикновено правейки ги непроводими. Въпреки това, когато се добави енергия (чрез светлина, топлина и др.), електроните в валентната лента могат да преминат в проводниковата лента, позволявайки на материала да провежда електрически ток.

Защо бандгепът е важен?

Слънчевите клетки работят, като абсорбират енергия от слънчевата светлина, което кара електроните да преминат на по-високи енергийни нива и да създадат електрически ток. Бандгепът определя кои енергийни частици (фотони) в слънчевата светлина слънчевата клетка може да абсорбира. Ако бандгепът е твърде голям, много фотони нямат достатъчно енергия, за да накарат електроните да преминат. Ако бандгепът е твърде малък, излишната енергия ще бъде загубена. Следователно, правилният бандгеп позволява на слънчевите клетки да преобразуват слънчевата светлина в електричество по-ефективно.

Защо бандгепът от 1.5 eV се счита за оптимален?

Когато фотоните възбуждат електрони в близост до бандгепа на полупроводника, могат да възникнат три ситуации:

1. Когато енергията на фотона е по-малка от енергията на бандгепа на полупроводника, електроните не абсорбират енергията на фотона и фотонът преминава през полупроводника. Това се нарича загуба на прозрачност.
2. Ако енергията на фотона е равна на енергията на бандгепа на полупроводника, електроните абсорбират енергията на фотона и преминават от максимума на валентната лента (VBM) до минимума на проводниковата лента (CBM). Вграденото електрическо поле в PN съединението разделя тези електрони, напълно преобразувайки абсорбираната енергия на фотона в електрическа енергия.
3. Ако енергията на фотона е по-голяма от енергията на бандгепа на полупроводника, електроните абсорбират енергията на фотона и преминават на позиция по-висока от минимума на проводниковата лента (CBM). Излишната енергия след това се освобождава под формата на топлина чрез процес, наречен релаксация, известен като загуба на термализация. В крайна сметка електроните падат до минимума на проводниковата лента и вграденото електрическо поле ги разделя, преобразувайки част от енергията на фотона в електрическа енергия.

На базата на описаното по-горе можем да направим следните заключения:

1. По-голям бандгеп означава, че повече фотони с ниска енергия не могат да възбудят електроните от валентната лента до проводниковата лента. Следователно, повече фотони не се абсорбират, което води до по-голяма загуба на прозрачност. По-просто казано, колкото по-голям е бандгепът, толкова по-голяма е загубата на прозрачност. Това е представено с прекъсната линия в графиката от долния ляв ъгъл до горния десен ъгъл.
2. По-малък бандгеп води до по-голямо количество абсорбирани фотони. Въпреки това, излишната енергия от тези фотони се разсейва като топлина чрез процеси на релаксация, увеличавайки загубата на термализация. С други думи, колкото по-малък е бандгепът, толкова по-голяма е загубата на термализация. Това е показано с прекъсната линия в графиката от горния ляв ъгъл до долния десен ъгъл.

В крайна сметка, действителната ефективност на преобразуването на слънчевата светлина в електрическа енергия, η, може да бъде описана със следното:

η = 1 - Загуба на прозрачност - Загуба на термализация

Плътната линия на графиката показва, че ефективността достига връх в средата и намалява на двата края. Това е лесно разбираемо: когато бандгепът е твърде голям, почти никакви фотони не се абсорбират, което води до почти нулева ефективност на преобразуването на електрическата енергия. По подобен начин, когато бандгепът е твърде малък, повечето от енергията на фотоните се губи под формата на топлина след абсорбиране, което също води до почти нулева ефективност. Върховата ефективност се среща някъде в средата, обикновено между 1.0 eV и 1.5 eV, както е показано на графиката. Важно е да се отбележи, че тази графика може да не отразява условията при спектъра AM1.5, където бандгепът около 1.5 eV.

Бандгеп на различни материали

1. Силиций

Силиций е един от основните материали за текущите основни слънчеви клетки. Той има ширина на бандгепа от приблизително 1.1 електронволта (eV), което му позволява да преобразува ефективно широк обхват от дължини на вълната на слънчевата светлина. Ефективността на слънчевите клетки на базата на силиций е широко потвърдена, като лабораторните тестове показват, че монокристалните силициеви слънчеви клетки постигат до 26.7% ефективност на преобразуване, докато търговските продукти обикновено достигат около 20%. Този материал е добре адаптиран за разнообразни глобални условия на слънчево радиационно натоварване, предлагаща отлична стабилност и дълъг срок на експлоатация. Данните показват, че фотоволтаичните системи, използващи силициеви слънчеви клетки, обикновено имат срок на експлоатация над 25 години.

От 2008 г. насам, Maysun Solar се посвещава на производството на висококачествени силициеви фотоволтаични модули. Maysun Solar предлага разнообразие от TOPCon, IBC, HJT слънчеви панели, както и балконни слънчеви електрически станции. Тези слънчеви панели се отличават с отлична производителност и стилен дизайн, безпроблемно интегриращи се в сградите. Maysun Solar успешно е установила офиси и складове в много европейски страни и има дългосрочни партньорства с отлични инсталатори! Моля, не се колебайте да се свържете с нас за последните оферти за модули или всякакви запитвания относно фотоволтаични системи. Ще се радваме да Ви помогнем.

2. Перовскити

Материалите на перовскитите могат да регулират своя бандгеп чрез химичен синтез, предлагайки потенциал за повишаване на ефективността и намаляване на производствените разходи. Обикновено, бандгепът на слънчевите клетки от перовскит се движи от 1.5 до 2.3 електронволта (eV), което им позволява да абсорбират ефективно видимия светлинен спектър на слънчевата светлина. В последните години тези слънчеви клетки са видели бързо увеличение на ефективността, от по-малко от 4% през 2009 г. до над 25% днес. Те могат да бъдат комбинирани със силиций, за да образуват тандемни слънчеви клетки, увеличаващи общата ефективност и се възползват от процесите на нискотемпературно производство, което значително намалява разходите за производство.

Изследователи от Университета в Кеймбридж се фокусират върху материалите на перовскитите за гъвкави LED и слънчеви клетки от следващо поколение. Те са открили, че опростяването на химичната композиционна последователност може значително да подобри ефективността и да намали разходите за производство. В момента се работи за решаване на проблемите със стабилността и устойчивостта на околната среда, с цел да се улесни тяхното широко търговско приложение.

3. Други материали

Учени по целия свят изследват напреднали материали като селенид на кадмий и галий (CIGS), галиев нитрид, германий и индиев фосфид. Тези материали са проектирани да регулират границите на бандгепа на многослойните слънчеви клетки ефективно, преобразувайки целия спектър на слънчевата светлина в електрическа енергия.

Селенидът на кадмий и галий (CIGS) и подобни материали имат относително тесен бандгеп (приблизително 1.0 до 1.7 електронволта, eV), което им позволява да работят добре при ниски светлинни условия. Слънчевите клетки CIGS запазват висока ефективност дори в облачни дни и при слаб светлинен поток, което ги прави особено подходящи за специфични екологични условия. Например, в части от Европа, където интензивността на слънчевата светлина е по-ниска през цялата година, слънчевите панели CIGS демонстрират значителни предимства в производителността. В лабораторни условия слънчевите клетки CIGS са постигнали ефективности на преобразуване до 23.4%, докато търговските продукти обикновено варират от 15% до 18%. Освен това, материалите CIGS са гъвкави и могат да бъдат използвани за производство на огъваеми слънчеви клетки, предлагайки повече възможности за интегрирани в сградата фотоволтаични системи и преносими устройства.

Оптимизация на бандгепа и практически приложения

Оптимизацията на бандгепа е ключова технология за повишаване на производителността на слънчевите клетки. Чрез прецизно регулиране на бандгепа на материалите могат да се постигнат значителни подобрения в ефективността на фотоволтаичното преобразуване и универсалността на приложението. В практически приложения въздействието на оптимизацията на бандгепа е видно в няколко аспекта:

1. Подобряване на ефективността на фотоволтаичното преобразуване:Оптимизирането на бандгепа на материалите позволява на слънчевите клетки да абсорбират и преобразуват фотони по-ефективно в целия спектър на слънчевата светлина. Например, използването на технологията на многослойни слънчеви клетки, която включва слоеве от материали с различни бандгепове, максимизира абсорбцията на различни дължини на светлината, като значително увеличава общата ефективност. Тази технология вече е постигнала лабораторни ефективности, надвишаващи 40% в космическите слънчеви клетки и високоефективни наземни приложения.
2. Адаптиране към различни екологични условия:Материалите с различни бандгепове са подходящи за различни екологични условия. Материалите с по-широк бандгеп, като силиций, могат да работят стабилно при широк спектър от условия на слънчево излъчване, докато материалите с по-тесен бандгеп, като CIGS, excel под ниски светлинни условия. Чрез оптимизация на бандгепа слънчевите клетки могат да бъдат проектирани да се адаптират към различни климатични и светлинни условия, подобрявайки тяхната приложимост глобално.
3. Намаляване на производствените разходи:Оптимизацията на бандгепа не само повишава ефективността, но и намалява разходите за производство чрез иновации в материалите и процесите. Например, перовскитните материали демонстрират отлични възможности за настройка на бандгепа и икономически ефективни производствени процеси, с бърз напредък в търговската реализация. Оптимизацията на бандгепа може да улесни по-ефективни производствени процеси, намалявайки разходите на ват и подобрявайки конкурентоспособността на пазара.
4. Подтикване на развитието на нови фотоволтаични материали:Техниките за оптимизация на бандгепа подтикват развитието на нови фотоволтаични материали, като органично-инорганични халидни перовскити и квантови точки. Тези нови материали, с прецизно настроени бандгепове, демонстрират по-висока ефективност и по-широк потенциал за приложение. В бъдеще тези технологии се очаква да позволят иновационни приложения като носими фотоволтаични устройства и интегрирани в сградата фотоволтаични системи.

Заключение

В заключение, оптимизацията на бандгепа играе съществена роля в практическите приложения, като не само повишава ефективността на слънчевите клетки, но и подобрява тяхната адаптивност, намалява разходите и подтиква развитието на нови технологии. С непрекъснатото напредване в науката за материалите и производствените процеси, оптимизацията на бандгепа ще подтикне по-широкото приемане и напредък на технологията на слънчевата енергия, полагайки основите за бъдещето на глобалната възобновяема енергия.

Референция:

Слънчеви клетки: Ръководство за теория и измерване. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Защо слънчевите клетки са толкова неефективни? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Никлас. (2024 г., 22 февруари). Енергийно лентово разделение на слънчевите клетки. Sinovoltaics (офис в Хонконг). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Обяснено: Лентово разделяне. (2010 г., 23 юли). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

Прочетете повече: