Vad är energibandet för solceller?

Innehåll

1. Introduktion
2. Vad är ett bandgap?
3. Varför är bandgapet viktigt?
4. Varför anses ett bandgap på 1,5 eV vara optimalt?
5. Bandgap för olika material
6. Bandgapoptimering och praktiska tillämpningar
7. Slutsats

Introduktion

Processen att generera elektricitet med hjälp av solpaneler beror främst på ett avgörande steg. Elektroner övergår från valensbandet (inom PN-junktionen av solpanelen) till ledningsbandet (extern krets, som ett batteri). Elektroner som befinner sig i valensbandet, utan extern energi, kallas för detta. För att producera elektricitet måste dessa elektroner röra sig in i den externa kretsen, känd som ledningsbandet.

Elektroner övergår inte från valensbandet till ledningsbandet på egen hand. En viss mängd energi (som kallas bandgap) måste tillhandahållas för att underlätta denna övergång.

Vad är ett bandgap?

Bandgap är ett kritiskt begrepp inom halvledarmaterial, och refererar till den minsta energi som krävs för att elektroner ska hoppa till en högre energinivå. Detta kan liknas vid att barn behöver tillräcklig kraft för att hoppa till nästa ruta i hoppsa. Storleken på bandgapet bestämmer vilka våglängder av fotoner ett material kan absorbera, vilket är avgörande för att generera ström i solpaneler genom att effektivt absorbera fotoner över hela solspektrumet. Varierande bandgapstorlekar möjliggör att material kan optimera fotonabsorptionen i hög- eller lågenergiljusregioner, och anpassa sig till olika miljöer och tillämpningsbehov.

För ledare finns det inget gap mellan ledningsbandet och valensbandet, så ledningsbandet är fyllt med elektroner, vilket gör materialet mycket ledande. Däremot har isolatorer ett stort gap mellan valensbandet och ledningsbandet, vilket förhindrar elektroner i valensbandet från att hoppa till ledningsbandet, vilket gör materialet icke-ledande. Halvledare har ett bandgap som ligger mellan dessa två ytterligheter, vilket vanligtvis gör dem icke-ledande. Men när energi tillförs (genom ljus, värme, etc.), kan elektroner i valensbandet röra sig till ledningsbandet, vilket möjliggör att materialet kan leda elektricitet.

Varför är bandgapet viktigt?

Solceller fungerar genom att absorbera energi från solljus, vilket gör att elektroner hoppar till högre energinivåer och skapar en elektrisk ström. Bandgapet bestämmer vilka energipartiklar (fotoner) i solljuset som solcellen kan absorbera. Om bandgapet är för stort, har många fotoner inte tillräckligt med energi för att få elektronerna att hoppa. Om bandgapet är för litet, kommer överskottsenergin att gå till spillo. Därför möjliggör ett optimalt bandgap att solcellerna omvandlar solljus till elektricitet mer effektivt.

Varför anses ett bandgap på 1,5 eV vara optimalt?

När fotoner exciterar elektroner nära bandgapet hos en halvledare kan tre situationer inträffa:

1. När energin hos en foton är mindre än halvledarens bandgapenergi absorberar inte elektronerna fotonens energi, och fotonen passerar genom halvledaren. Detta kallas transparensförlust.
2. Om fotonens energi är lika med halvledarens bandgapenergi, absorberar elektronerna fotonens energi och hoppar från valensbandets maximum (VBM) till ledningsbandets minimum (CBM). Det inbyggda elektriska fältet i PN-junktionen separerar dessa elektroner, vilket fullt ut omvandlar den absorberade fotonens energi till elektrisk energi.
3. Om fotonens energi är större än halvledarens bandgapenergi, absorberar elektronerna fotonens energi och hoppar till en position högre än ledningsbandets minimum (CBM). Överskottsenergin frigörs sedan som värme genom en process som kallas relaxation, vilket kallas termaliseringsförlust. Elektronerna faller så småningom tillbaka till ledningsbandets minimum, och det inbyggda elektriska fältet separerar dem, vilket omvandlar en del av fotonens energi till elektrisk energi.

Slutsatser baserade på beskrivningen ovan:

1. Ett större bandgap innebär att fler lågenergifotoner inte kan excitera elektroner från valensbandet till ledningsbandet. Därför absorberas fler fotoner inte, vilket leder till större transparensförlust. Enkelt uttryckt, ju större bandgap, desto större transparensförlust. Detta representeras av den streckade linjen på diagrammet från nedre vänstra till övre högra hörnet.
2. Ett mindre bandgap resulterar i att fler fotoner absorberas. Dock avges överskottsenergin från dessa fotoner som värme genom relaxationprocesser, vilket ökar termaliseringsförlusten. Kort sagt, ju mindre bandgap, desto större termaliseringsförlust. Detta visas av den streckade linjen på diagrammet från övre vänstra till nedre högra hörnet.

I slutändan kan den faktiska effektiviteten att omvandla solljus till elektricitet, η, beskrivas som:

η = 1 - Transparensförlust - Termaliseringsförlust

Den fasta linjen på diagrammet visar att denna effektivitet är som högst i mitten och sjunker vid båda ändarna. Detta är lätt att förstå: när bandgapet är för stort absorberas nästan inga fotoner, vilket resulterar i nästan noll elektricitetseffektivitet. På samma sätt, när bandgapet är för litet, går det mesta av fotonens energi förlorad som värme efter att ha absorberats, vilket också leder till nästan noll effektivitet. Den högsta effektiviteten uppstår någonstans i mitten, vanligtvis mellan 1,0 eV och 1,5 eV, som visas på diagrammet. Det är viktigt att notera att detta diagram kanske inte representerar förhållanden under AM1.5-spektrumet, där ett bandgap runt 1,5 eV kan vara mer optimalt.

Bandgap av olika material

1. Silicon
Silicon är ett av de nyckelmaterial som används i dagens mainstream solceller. Det har en bandgapbredd på cirka 1,1 elektronvolt (eV), vilket gör att det effektivt kan omvandla ett brett spektrum av solljusvåglängder. Effektiviteten hos kiselbaserade solceller har validerats omfattande, med laboratorietester som visar att monokristallina kisel-solceller uppnår upp till 26,7% omvandlingseffektivitet, medan kommersiella produkter vanligtvis når runt 20%. Detta material är väl anpassat för olika globala solstrålningsförhållanden, erbjuder utmärkt stabilitet och en lång livslängd. Data visar att fotovoltaiska system som använder kisel-solceller generellt har en livslängd som överstiger 25 år.

Sedan 2008 har Maysun Solar varit dedikerade till att producera högkvalitativa kisel-fotovoltaiska moduler. Maysun Solar erbjuder ett sortiment av TOPCon, IBC, HJT solpaneler samt balkongsolkraftstationer. Dessa solpaneler har utmärkt prestanda och stiligt design, som sömlöst integreras med vilken byggnad som helst. Maysun Solar har framgångsrikt etablerat kontor och lager i många europeiska länder och har långsiktiga partnerskap med utmärkta installatörer! Kontakta oss gärna för de senaste modulpriserna eller för frågor om fotovoltaik. Vi hjälper gärna till.

2. Perovskite

Perovskitematerial kan justera sitt bandgap genom kemisk syntes, vilket erbjuder potential att förbättra effektiviteten och minska tillverkningskostnaderna. Typiskt varierar bandgapet för perovskite-solceller mellan 1,5 och 2,3 elektronvolt (eV), vilket gör att de effektivt kan absorbera det synliga ljusspektrumet av solljus. Under de senaste åren har dessa solceller sett en snabb ökning i effektiviteten, från mindre än 4% år 2009 till över 25% idag. De kan kombineras med kisel för att bilda tandemsolceller, vilket ökar den totala effektiviteten och drar nytta av låga tillverkningstemperaturer som signifikant sänker produktionskostnaderna.

Forskare vid University of Cambridge fokuserar på perovskitematerial för flexibla LED-lampor och nästa generations solceller. De har funnit att förenkling av den kemiska sammansättningssekvensen kan avsevärt förbättra effektiviteten och minska produktionskostnaderna. För närvarande pågår arbete med att hantera stabilitets- och miljöbeständighetsproblem, med målet att underlätta deras storskaliga kommersiella tillämpning.

3. Andra material

Forskare världen över undersöker avancerade material som kadmiumgalliumselenid (CIGS), galliumnitrid, germanium och indiumfosfid. Dessa material är utformade för att effektivt justera bandgapgränserna för multijunctionsolceller, vilket möjliggör omvandling av hela solljusets spektrum till elektricitet.

Kadmiumgalliumselenid (CIGS) och liknande material har ett relativt smalt bandgap (ungefär 1,0 till 1,7 elektronvolt, eV), vilket gör att de presterar bra under låga ljusförhållanden. CIGS-solceller bibehåller hög effektivitet även på molniga dagar och vid svagt ljus, vilket gör dem särskilt lämpliga för specifika miljöförhållanden. Till exempel, i delar av Europa där solens intensitet är lägre under hela året, visar CIGS-solpaneler betydande prestandafördelar. Under laboratorieförhållanden har CIGS-solceller uppnått omvandlingseffektivitet upp till 23,4%, medan kommersiella produkter vanligtvis ligger mellan 15% och 18%. Dessutom är CIGS-material flexibla och kan användas för att tillverka böjbara solceller, vilket erbjuder fler alternativ för byggnadsintegrerade fotovoltaiska system och bärbara enheter.

Bandgapoptimering och praktiska tillämpningar

Bandgapoptimering är en nyckelteknik för att förbättra solcellsprestanda. Genom att noggrant justera materialens bandgap kan betydande förbättringar uppnås i fotovoltaisk omvandlingseffektivitet och tillämpningsmångsidighet. I praktiska tillämpningar är effekten av bandgapoptimering uppenbar i flera aspekter:

1. Förbättring av fotovoltaisk omvandlingseffektivitet:
   Optimering av materialens bandgap gör att solceller mer effektivt kan absorbera och omvandla fotoner över hela solspektrumet. Till exempel, genom att använda flerskiktssolcellsteknologi, som staplar material med olika bandgap, maximeras absorptionen av olika våglängder av ljus, vilket därmed avsevärt ökar den totala effektiviteten. Denna teknik har redan uppnått laboratorieeffektiviteter som överstiger 40 % i rymdsolceller och högeffektiva tillämpningar på jorden.
2. Anpassning till olika miljöförhållanden:
   Material med olika bandgap är lämpliga för varierande miljöförhållanden. Material med bredare bandgap, som kisel, kan fungera stabilt under ett brett spektrum av solstrålningsförhållanden, medan material med smalare bandgap, som CIGS, utmärker sig under låga ljusförhållanden. Genom bandgapoptimering kan solceller utformas för att anpassa sig till olika klimat och ljusförhållanden, vilket ökar deras användbarhet globalt.
3. Minskning av tillverkningskostnader:
   Bandgapoptimering förbättrar inte bara effektiviteten utan sänker också produktionskostnaderna genom material- och processinnovationer. Till exempel, perovskitematerial visar utmärkta bandgapjusteringsmöjligheter och kostnadseffektiva tillverkningsprocesser, med snabb kommersialisering. Optimering av bandgap kan underlätta mer effektiva tillverkningsprocesser, vilket minskar kostnaden per watt och ökar marknadskonkurrenskraften.
4. Drivande utveckling av nya fotovoltaiska material:Bandgapoptimeringstekniker driver utvecklingen av nya fotovoltaiska material, såsom organiska-oorganiska halidperovskiter och kvantprickmaterial. Dessa nya material, med noggrant justerade bandgap, visar högre effektivitet och bredare tillämpningspotential. I framtiden förväntas dessa teknologier möjliggöra innovativa tillämpningar som bärbara fotovoltaiska enheter och byggnadsintegrerade fotovoltaiska system.

Slutsats

Sammanfattningsvis spelar bandgapoptimering en avgörande roll i praktiska tillämpningar genom att inte bara förbättra effektiviteten hos solceller utan också öka deras anpassningsförmåga, minska kostnaderna och driva utvecklingen av ny teknik. Med kontinuerliga framsteg inom materialvetenskap och tillverkningsprocesser kommer bandgapoptimering att ytterligare driva på den utbredda användningen och utvecklingen av solenergiteknik, vilket lägger grunden för framtidens globala förnybara energi.

Referenser:

Solceller: En guide till teori och mätning. (u.å.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Varför är solceller så ineffektiva? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 februari). Energibandgap för solceller. Sinovoltaics (Hong Kong Office). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

Läs mer: