Treść
- Wprowadzenie
- Czym jest przerwa energetyczna?
- Dlaczego przerwa energetyczna jest ważna?
- Dlaczego przerwa energetyczna wynosząca 1,5 eV jest uważana za optymalną?
- Przerwa energetyczna różnych materiałów
- Optymalizacja przerwy energetycznej i praktyczne zastosowania
- Wniosek
Wprowadzenie
Proces generowania energii elektrycznej za pomocą paneli słonecznych zależy przede wszystkim od kluczowego etapu. Elektrony przechodzą z pasma walencyjnego (w złączu PN panelu słonecznego) do pasma przewodnictwa (zewnętrznego obwodu, takiego jak bateria). Elektrony, które znajdują się w paśmie walencyjnym bez energii zewnętrznej, są tak nazywane. Aby wytworzyć energię elektryczną, te elektrony muszą przejść do zewnętrznego obwodu, znanego jako pasmo przewodnictwa.
Elektrony nie przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa samodzielnie. Aby to przejście mogło się odbyć, musi zostać dostarczona określona ilość energii (określana jako przerwa energetyczna).
Czym jest przerwa energetyczna?
Przerwa energetyczna to kluczowe pojęcie w materiałach półprzewodnikowych, odnoszące się do minimalnej ilości energii potrzebnej, aby elektron przeszedł na wyższy poziom energetyczny. Można to porównać do dzieci potrzebujących odpowiedniej siły, aby skoczyć na następne pole w klasy. Rozmiar przerwy energetycznej określa zakres długości fal fotonów, które materiał może pochłonąć, co jest kluczowe dla generowania prądu w panelach słonecznych poprzez efektywne pochłanianie fotonów w całym spektrum słonecznym. Zróżnicowane rozmiary przerwy energetycznej umożliwiają materiałom optymalizację pochłaniania fotonów w obszarach światła o wysokiej lub niskiej energii, dostosowując się do różnych potrzeb środowiskowych i aplikacyjnych.
W przypadku przewodników nie ma przerwy między pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym, dlatego pasmo przewodnictwa jest wypełnione elektronami, co sprawia, że materiał jest wysoce przewodzący. W przeciwieństwie do tego, izolatory mają dużą przerwę między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, co uniemożliwia elektronowi przejście z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, co czyni materiał nieprzewodzącym. Półprzewodniki mają przerwę energetyczną, która znajduje się pomiędzy tymi dwoma ekstremami, zazwyczaj czyniąc je nieprzewodzącymi. Jednak gdy dostarczona zostanie energia (poprzez światło, ciepło itp.), elektrony w paśmie walencyjnym mogą przemieszczać się do pasma przewodnictwa, co umożliwia materiałowi przewodzenie prądu elektrycznego.
Dlaczego przerwa energetyczna jest ważna?
Ogniwa słoneczne działają poprzez pochłanianie energii ze światła słonecznego, co powoduje, że elektrony przechodzą na wyższe poziomy energetyczne, tworząc prąd elektryczny. Przerwa energetyczna określa, jakie cząstki energetyczne (foton) w świetle słonecznym ogniwo słoneczne może pochłonąć. Jeśli przerwa energetyczna jest zbyt duża, wiele fotonów nie ma wystarczającej energii, aby spowodować przeskok elektronów. Jeśli przerwa energetyczna jest zbyt mała, nadmiar energii zostanie zmarnowany. Dlatego odpowiednia przerwa energetyczna pozwala ogniwom słonecznym na bardziej efektywne przekształcanie światła słonecznego w energię elektryczną.
Kiedy fotony ekscytują elektrony w pobliżu przerwy energetycznej półprzewodnika, mogą wystąpić trzy sytuacje:
- Gdy energia fotonu jest mniejsza niż energia przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony nie absorbują energii fotonu i foton przechodzi przez półprzewodnik. Nazywa się to stratą transparentności.
- Jeśli energia fotonu jest równa energii przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony absorbują energię fotonu i przeskakują z maksymalnego poziomu pasma walencyjnego (VBM) do minimalnego poziomu pasma przewodnictwa (CBM). Wbudowane pole elektryczne w złączu PN oddziela te elektrony, całkowicie przekształcając energię pochłoniętego fotonu na energię elektryczną.
- Jeśli energia fotonu jest większa niż energia przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony absorbują energię fotonu i przeskakują na pozycję wyższą niż minimalny poziom pasma przewodnictwa (CBM). Nadmiar energii jest następnie uwalniany w postaci ciepła w procesie zwanym relaksacją, znanym jako strata termalizacyjna. Elektrony ostatecznie opadają do minimalnego poziomu pasma przewodnictwa, a wbudowane pole elektryczne oddziela je, przekształcając część energii fotonu na energię elektryczną.
Na podstawie powyższego opisu możemy wyciągnąć następujące wnioski:
- Większa przerwa energetyczna oznacza, że więcej niskiej energii fotonów nie może ekscytować elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W związku z tym więcej fotonów nie jest pochłaniane, co prowadzi do większych strat transparentności. Mówiąc prościej, im większa przerwa energetyczna, tym większa strata transparentności. Jest to przedstawione przez przerywaną linię na wykresie od lewego dolnego rogu do prawego górnego rogu.
- Mniejsza przerwa energetyczna skutkuje większą ilością pochłoniętych fotonów. Jednak nadmiar energii z tych fotonów jest rozpraszany jako ciepło w procesach relaksacji, zwiększając straty termalizacyjne. Krótko mówiąc, im mniejsza przerwa energetyczna, tym większa strata termalizacyjna. Jest to pokazane przez przerywaną linię na wykresie od lewego górnego rogu do prawego dolnego rogu.
Ostatecznie rzeczywista wydajność przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną, η, można opisać jako:
η = 1 - Strata transparentności - Strata termalizacyjna
Solidna linia na wykresie pokazuje, że wydajność osiąga maksimum w środku i spada na obu końcach. Jest to łatwe do zrozumienia: gdy przerwa energetyczna jest zbyt duża, prawie żadne fotony nie są pochłaniane, co prowadzi do prawie zerowej wydajności konwersji elektrycznej. Podobnie, gdy przerwa energetyczna jest zbyt mała, większość energii fotonów jest tracona jako ciepło po pochłonięciu, co również prowadzi do niemal zerowej wydajności. Maksymalna wydajność występuje gdzieś w środku, zwykle między 1,0 eV a 1,5 eV, jak pokazano na wykresie. Ważne jest, aby zauważyć, że ten wykres może nie odzwierciedlać warunków w spektrum AM1.5, gdzie przerwa energetyczna wokół 1,5 eV jest optymalna.
Przerwa energetyczna różnych materiałów
1. Krzem
Krzem jest jednym z kluczowych materiałów dla obecnych ogniw słonecznych. Ma szerokość przerwy energetycznej wynoszącą około 1,1 elektronowolta (eV), co pozwala mu efektywnie przekształcać szeroki zakres długości fal światła słonecznego. Wydajność ogniw słonecznych opartych na krzemie została szeroko potwierdzona, a testy laboratoryjne pokazują, że ogniwa słoneczne z monokrystalicznego krzemu osiągają wydajność konwersji do 26,7%, podczas gdy produkty komercyjne zazwyczaj osiągają około 20%. Materiał ten jest dobrze dostosowany do różnorodnych warunków globalnego promieniowania słonecznego, oferując doskonałą stabilność i długą żywotność. Dane wskazują, że systemy fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa słoneczne z krzemu mają zazwyczaj żywotność przekraczającą 25 lat.
Od 2008 roku Maysun Solar jest zaangażowany w produkcję wysokiej jakości modułów fotowoltaicznych z krzemu. Maysun Solar oferuje różnorodne panele słoneczne TOPCon, IBC, HJT, a także stacje słoneczne balkonowe. Te panele słoneczne charakteryzują się doskonałą wydajnością i eleganckim designem, doskonale integrując się z każdym budynkiem. Maysun Solar z powodzeniem ustanowił biura i magazyny w wielu krajach europejskich i ma długoterminowe partnerstwa z doskonałymi instalatorami! Proszę o kontakt w celu uzyskania najnowszych ofert modułów lub jakichkolwiek zapytań dotyczących fotowoltaiki. Chętnie pomożemy.
2. Perowskity
Materiały perowskitowe mogą dostosować swoją przerwę energetyczną poprzez syntezę chemiczną, oferując potencjał do zwiększenia wydajności i obniżenia kosztów produkcji. Typowo, przerwa energetyczna ogniw słonecznych z perowskitów wynosi od 1,5 do 2,3 elektronowolta (eV), co pozwala im efektywnie pochłaniać widmo światła widzialnego słonecznego. W ostatnich latach ogniwa te szybko zwiększyły swoją wydajność, rosnąc z mniej niż 4% w 2009 roku do ponad 25% obecnie. Mogą być łączone z krzemem, tworząc ogniwa słoneczne tandemowe, co zwiększa ogólną wydajność i korzysta z procesów produkcji w niskiej temperaturze, co znacząco obniża koszty produkcji.
Badacze z Uniwersytetu Cambridge koncentrują się na materiałach perowskitowych dla elastycznych diod LED i ogniw słonecznych następnej generacji. Odkryli, że uproszczenie sekwencji składu chemicznego może znacznie zwiększyć wydajność i obniżyć koszty produkcji. Obecnie trwają prace nad rozwiązaniem problemów ze stabilnością i trwałością środowiskową, mające na celu ułatwienie ich komercyjnego zastosowania na dużą skalę.
3. Inne materiały
Naukowcy na całym świecie badają zaawansowane materiały, takie jak selenek kadmu i galu (CIGS), azotek galu, german i fosforan indu. Materiały te są projektowane w celu skutecznego dostosowania granic przerwy energetycznej ogniw słonecznych wielozłączowych, przekształcając całe spektrum światła słonecznego w energię elektryczną.
Selenek kadmu i galu (CIGS) i podobne materiały mają stosunkowo wąską przerwę energetyczną (około 1,0 do 1,7 elektronowolta, eV), co pozwala im dobrze funkcjonować w warunkach słabego oświetlenia. Ogniwa słoneczne CIGS utrzymują wysoką wydajność nawet w pochmurne dni i w słabym świetle, co sprawia, że są szczególnie odpowiednie dla specyficznych warunków środowiskowych. Na przykład, w częściach Europy, gdzie intensywność światła słonecznego jest niższa przez cały rok, panele słoneczne CIGS wykazują znaczące zalety wydajnościowe. W warunkach laboratoryjnych ogniwa słoneczne CIGS osiągnęły wydajność konwersji do 23,4%, podczas gdy produkty komercyjne zazwyczaj mieszczą się w przedziale 15% do 18%. Dodatkowo, materiały CIGS są elastyczne i mogą być używane do produkcji giętkich ogniw słonecznych, oferując więcej opcji dla fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami i urządzeniami przenośnymi.
Optymalizacja Przerwy Energetycznej i Zastosowania Praktyczne
Optymalizacja przerwy energetycznej jest kluczową technologią zwiększającą wydajność ogniw słonecznych. Dokładne dostosowanie przerwy energetycznej materiałów pozwala na znaczną poprawę efektywności konwersji fotowoltaicznej i wszechstronności zastosowań. W praktycznych zastosowaniach wpływ optymalizacji przerwy energetycznej jest widoczny w kilku aspektach:
1. Zwiększanie Efektywności Konwersji Fotowoltaicznej:
Optymalizacja przerwy energetycznej materiałów pozwala ogniwom słonecznym na bardziej efektywne pochłanianie i konwersję fotonów w całym spektrum słonecznym. Na przykład, zastosowanie technologii ogniw słonecznych wielozłączowych, która polega na nakładaniu materiałów o różnych przerwach energetycznych, maksymalizuje pochłanianie różnych długości fal światła, znacznie zwiększając ogólną efektywność. Technologia ta osiągnęła już wydajności laboratoryjne przekraczające 40% w ogniwach słonecznych używanych w przestrzeni kosmicznej oraz w wysokowydajnych aplikacjach naziemnych.
2. Dostosowanie do Różnorodnych Warunków Środowiskowych:
Materiały o różnych przerwach energetycznych są odpowiednie do różnych warunków środowiskowych. Materiały o szerszych przerwach energetycznych, takie jak krzem, mogą stabilnie działać w szerokim zakresie warunków promieniowania słonecznego, podczas gdy materiały o węższej przerwie energetycznej, takie jak CIGS, sprawdzają się w warunkach słabego oświetlenia. Dzięki optymalizacji przerwy energetycznej, ogniwa słoneczne mogą być projektowane w celu dostosowania do różnych klimatów i warunków świetlnych, co zwiększa ich globalną przydatność.
3. Obniżanie Kosztów Produkcji:
Optymalizacja przerwy energetycznej nie tylko poprawia efektywność, ale także obniża koszty produkcji dzięki innowacjom w zakresie materiałów i procesów. Na przykład, materiały perowskitowe wykazują doskonałe możliwości dostosowywania przerwy energetycznej i kosztowo efektywne procesy produkcyjne, z szybkim postępem komercjalizacji. Optymalizacja przerwy energetycznej może ułatwić bardziej efektywne procesy produkcyjne, zmniejszając koszt na wat i zwiększając konkurencyjność rynkową.
4. Rozwój Nowych Materiałów Fotowoltaicznych:
Techniki optymalizacji przerwy energetycznej napędzają rozwój nowych materiałów fotowoltaicznych, takich jak perowskity organiczno-nieorganiczne i materiały kwantowe. Te nowe materiały, z precyzyjnie dostosowanymi przerwami energetycznymi, wykazują wyższą efektywność i szerszy potencjał zastosowań. W przyszłości technologie te mają umożliwić innowacyjne zastosowania, takie jak przenośne urządzenia fotowoltaiczne i systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami.
Podsumowanie
Podsumowując, optymalizacja przerwy energetycznej odgrywa kluczową rolę w praktycznych zastosowaniach, nie tylko zwiększając efektywność ogniw słonecznych, ale także poprawiając ich dostosowalność, obniżając koszty i napędzając rozwój nowych technologii. Dzięki ciągłym postępom w nauce o materiałach i procesach produkcyjnych, optymalizacja przerwy energetycznej będzie dalej przyspieszać powszechne przyjęcie i rozwój technologii energii słonecznej, kładąc fundamenty pod przyszłość globalnej energii odnawialnej.
Odniesienie:
Solar Cells: Przewodnik po teorii i pomiarach. (b.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory
Dlaczego ogniwa słoneczne są tak nieefektywne? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023
Niclas. (2024, 22 lutego). Pasmo energetyczne ogniw słonecznych. Sinovoltaics (biuro w Hongkongu). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/
Wyjaśnienie: Bandgap. (2010, lipiec 23). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723
Czytaj więcej: