Wat is de Energie Band Gap van Zonnecellen?

Inhoud

1. Inleiding
2. Wat is een Band Gap?
3. Waarom is de Band Gap Belangrijk?
4. Waarom wordt een Band Gap van 1,5 eV als Optimaal Beschouwd?
5. Band Gap van Verschillende Materialen
6. Band Gap Optimalisatie en Praktische Toepassingen
7. Conclusie

Inleiding

Het proces van het opwekken van elektriciteit met zonnecellen hangt voornamelijk af van een cruciale stap. Elektronen bewegen van de valentieband (binnen de PN-overgang van de zonnecel) naar de geleidingsband (buiten de circuitleiding, zoals een batterij). Elektronen die zich in de valentieband bevinden, zonder externe energie, worden zo genoemd. Om elektriciteit te produceren, moeten deze elektronen naar de externe circuitleiding bewegen, die bekend staat als de geleidingsband.

Elektronen bewegen niet vanzelf van de valentieband naar de geleidingsband. Er moet een bepaalde hoeveelheid energie (de bandgap genoemd) worden geleverd om deze overgang te vergemakkelijken.

Wat is een Band Gap?

De bandgap is een cruciaal concept in halfgeleider-materialen en verwijst naar de minimale energie die nodig is voor elektronen om naar een hoger energieniveau te springen. Dit is vergelijkbaar met kinderen die voldoende kracht nodig hebben om naar het volgende vakje in een hink-stap-sprongspel te springen. De grootte van de bandgap bepaalt het bereik van fotonengolflengtes die een materiaal kan absorberen, wat essentieel is voor het genereren van stroom in zonnecellen door efficiënt fotonen op te vangen over het gehele zonnespectrum. Verschillende bandgap-groottes stellen materialen in staat om fotonenabsorptie te optimaliseren in hoge of lage-energie lichtregio’s, waardoor ze zich kunnen aanpassen aan diverse omgevings- en toepassingsbehoeften.

Voor geleiders is er geen gap tussen de geleidingsband en de valentieband, zodat de geleidingsband gevuld is met elektronen, wat het materiaal zeer geleidend maakt. In tegenstelling tot geleiders hebben isolatoren een grote gap tussen de valentieband en de geleidingsband, waardoor elektronen in de valentieband niet naar de geleidingsband kunnen springen, wat het materiaal niet-geleidend maakt. Halfgeleiders hebben een bandgap die tussen deze twee extremen ligt, wat ze meestal niet-geleidend maakt. Wanneer er echter energie wordt toegevoegd (door middel van licht, warmte, enz.), kunnen elektronen in de valentieband naar de geleidingsband bewegen, waardoor het materiaal elektriciteit kan geleiden.

Waarom Is De Band Gap Belangrijk?

Zonnecellen werken door energie uit zonlicht te absorberen, wat ervoor zorgt dat elektronen naar hogere energieniveaus springen en een elektrische stroom opwekken. De bandgap bepaalt welke energiepartikels (fotonen) in zonlicht de zonnecel kan absorberen. Als de bandgap te groot is, hebben veel fotonen niet genoeg energie om de elektronen te laten springen. Als de bandgap te klein is, gaat overtollige energie verloren. Daarom stelt de juiste bandgap zonnecellen in staat om zonlicht efficiënter om te zetten in elektriciteit.

Waarom Wordt Een Band Gap Van 1,5 eV Als Optimaal Beschouwd?

Wanneer fotonen elektronen nabij de bandgap van een halfgeleider opwekken, kunnen er drie situaties optreden:

1. Transparantieverlies: Wanneer de energie van een foton lager is dan de bandgap-energie van de halfgeleider, absorberen de elektronen de energie van het foton niet en passeert het foton door de halfgeleider. Dit wordt transparantieverlies genoemd.
2. Volledige Energieconversie: Als de energie van het foton gelijk is aan de bandgap-energie van de halfgeleider, absorberen de elektronen de energie van het foton en springen van de maximum van de valentieband (VBM) naar de minimum van de geleidingsband (CBM). Het ingebouwde elektrische veld in de PN-junctie scheidt deze elektronen, waardoor de geabsorbeerde energie van het foton volledig wordt omgezet in elektrische energie.
3. Thermalisatieverlies: Als de energie van het foton groter is dan de bandgap-energie van de halfgeleider, absorberen de elektronen de energie van het foton en springen naar een positie hoger dan de minimum van de geleidingsband (CBM). De overtollige energie wordt vervolgens vrijgegeven als warmte via een proces dat relaxatie wordt genoemd, wat bekend staat als thermalisatieverlies. De elektronen vallen uiteindelijk naar de minimum van de geleidingsband, en het ingebouwde elektrische veld scheidt ze, waardoor een deel van de energie van het foton wordt omgezet in elektrische energie.

Op Basis Van De Bovenstaande Beschrijving Kunnen We De Volgende Conclusies Trekken:

1. Grotere Bandgap en Transparantieverlies: Een grotere bandgap betekent dat meer laag-energie fotonen niet in staat zijn om elektronen van de valentieband naar de geleidingsband te exciteren. Hierdoor worden meer fotonen niet geabsorbeerd, wat leidt tot groter transparantieverlies. Eenvoudig gezegd, hoe groter de bandgap, hoe groter het transparantieverlies. Dit wordt weergegeven door de gestippelde lijn in de grafiek van links onderaan naar rechtsboven.
2. Kleinere Bandgap en Thermalisationverlies: Een kleinere bandgap resulteert in meer geabsorbeerde fotonen. Echter, de overtollige energie van deze fotonen wordt afgevoerd als warmte via relaxatieprocessen, wat het thermalisationverlies verhoogt. Kort gezegd, hoe kleiner de bandgap, hoe groter het thermalisationverlies. Dit wordt getoond door de gestippelde lijn in de grafiek van linksboven naar rechtsonder.

Uiteindelijk kan de werkelijke efficiëntie van het omzetten van zonlicht in elektriciteit, η, worden beschreven als:

η = 1 - Transparantieverlies - Thermalisationverlies

De doorlopende lijn in de grafiek toont aan dat deze efficiëntie piekt in het midden en aan beide uiteinden daalt. Dit is gemakkelijk te begrijpen: wanneer de bandgap te groot is, worden bijna geen fotonen geabsorbeerd, wat resulteert in bijna geen elektriciteitsomzettingsefficiëntie. Evenzo, wanneer de bandgap te klein is, gaat het meeste van de energie van het foton verloren als warmte na absorptie, wat ook leidt tot bijna geen efficiëntie. De piekefficiëntie komt ergens in het midden voor, meestal tussen 1,0 eV en 1,5 eV, zoals weergegeven in de grafiek. Het is belangrijk op te merken dat deze grafiek mogelijk geen weerspiegeling is van de omstandigheden onder het AM1.5-spectrum, waar een bandgap rond de 1,5 eV optimaal kan zijn.

Bandgap Van Verschillende Materialen

1. Silicium

Silicium is een van de sleutelmaterialen voor de huidige mainstream zonnecellen. Het heeft een bandgap-breedte van ongeveer 1,1 elektronvolt (eV), waardoor het effectief een breed scala aan zonlichtgolflengten kan omzetten. De efficiëntie van silicium-gebaseerde zonnecellen is uitgebreid gevalideerd, waarbij laboratoriumtests aantonen dat monokristallijne silicium-zonnecellen tot 26,7% omzettings efficiëntie bereiken, terwijl commerciële producten doorgaans rond de 20% liggen. Dit materiaal is goed geschikt voor diverse mondiale zonne-energieomstandigheden en biedt uitstekende stabiliteit en een lange levensduur. Gegevens tonen aan dat fotovoltaïsche systemen met silicium-zonnecellen doorgaans een levensduur van meer dan 25 jaar hebben.

Sinds 2008 is Maysun Solar toegewijd aan het produceren van hoogwaardige silicium fotovoltaïsche modules. Maysun Solar biedt een verscheidenheid aan TOPCon, IBC, HJT zonnepanelen, evenals balkon zonne-energie stations. Deze zonnepanelen beschikken over uitstekende prestaties en een stijlvol ontwerp, waardoor ze naadloos integreren met elk gebouw. Maysun Solar heeft met succes kantoren en magazijnen in veel Europese landen gevestigd en heeft langdurige partnerschappen met uitstekende installateurs! Neem gerust contact met ons op voor de nieuwste module-offertes of voor vragen over fotovoltaïsche systemen. We helpen u graag verder.

2. Perovskiet

Perovskietmaterialen kunnen hun bandgap aanpassen via chemische synthese, wat potentieel biedt om de efficiëntie te verhogen en de productiekosten te verlagen. Typisch varieert de bandgap van perovskiet-zonnecellen van 1,5 tot 2,3 elektronvolt (eV), waardoor ze efficiënt het zichtbare lichtspectrum van zonlicht kunnen absorberen. In de afgelopen jaren hebben deze zonnecellen een snelle stijging in efficiëntie doorgemaakt, van minder dan 4% in 2009 tot meer dan 25% vandaag de dag. Ze kunnen worden gecombineerd met silicium om tandem-zonnecellen te vormen, wat de algehele efficiëntie verhoogt en profiteert van laagtemperatuur productieprocessen die de productiekosten aanzienlijk verlagen.

Onderzoekers aan de Universiteit van Cambridge richten zich op perovskietmaterialen voor flexibele LED's en zonnecellen van de volgende generatie. Ze hebben ontdekt dat het vereenvoudigen van de chemische samenstellingsequentie de efficiëntie aanzienlijk kan verbeteren en de productiekosten kan verlagen. Momenteel wordt er gewerkt aan het aanpakken van stabiliteits- en milieu-duurzaamheidsproblemen, met als doel hun grootschalige commerciële toepassing te vergemakkelijken.

3. Andere Materialen

Wetenschappers wereldwijd onderzoeken geavanceerde materialen zoals cadmium-gallium-selenide (CIGS), gallium-nitride, germanium en indium-fosfide. Deze materialen zijn ontworpen om de bandgap-limieten van multi-junctiezonnecellen effectief aan te passen, waardoor het volledige spectrum van zonlicht in elektriciteit kan worden omgezet.

Cadmium-gallium-selenide (CIGS) en soortgelijke materialen hebben een relatief smalle bandgap (ongeveer 1,0 tot 1,7 elektronvolt, eV), waardoor ze goed presteren onder lage lichtomstandigheden. CIGS-zonnecellen behouden een hoge efficiëntie, zelfs op bewolkte dagen en bij zwak licht, wat ze bijzonder geschikt maakt voor specifieke omgevingsomstandigheden. Bijvoorbeeld, in delen van Europa waar de zonnestraling gedurende het jaar lager is, tonen CIGS-zonnepanelen aanzienlijke prestatievoordelen. Onder laboratoriumomstandigheden hebben CIGS-zonnecellen conversie-efficiënties tot 23,4% bereikt, terwijl commerciële producten doorgaans variëren van 15% tot 18%. Bovendien zijn CIGS-materialen flexibel en kunnen ze worden gebruikt om buigzame zonnecellen te vervaardigen, wat meer keuzemogelijkheden biedt voor gebouw-geïntegreerde fotovoltaïsche systemen en draagbare apparaten.

Band Gap Optimalisatie en Praktische Toepassingen

Bandgap-optimalisatie is een sleuteltechnologie voor het verbeteren van de prestaties van zonnecellen. Door de bandgap van materialen nauwkeurig aan te passen, kunnen significante verbeteringen worden bereikt in de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie en de veelzijdigheid van toepassingen. In praktische toepassingen is de impact van bandgap-optimalisatie duidelijk in verschillende aspecten:

1. Verbeteren van de Fotovoltaïsche Conversie-efficiëntie:
   Het optimaliseren van de bandgap van materialen stelt zonnecellen in staat om fotonen effectiever te absorberen en om te zetten over het gehele zonnenspectrum. Door bijvoorbeeld gebruik te maken van multi-junctie zonneceltechnologie, waarbij lagen met verschillende bandgaps worden gestapeld, wordt de absorptie van verschillende lichtgolflengten gemaximaliseerd, wat de algehele efficiëntie aanzienlijk verhoogt. Deze technologie heeft in laboratoriumomstandigheden al efficiënties van meer dan 40% bereikt in ruimtezonnecellen en hoog-efficiënte toepassingen op aarde.
2. Aanpassen aan Diverse Omgevingscondities:
   Materialen met verschillende bandgaps zijn geschikt voor uiteenlopende omgevingscondities. Materialen met bredere bandgaps, zoals silicium, kunnen stabiel functioneren onder een breed scala aan zonnestraling, terwijl materialen met smallere bandgaps, zoals CIGS, uitblinken onder lage lichtomstandigheden. Door bandgap-optimalisatie kunnen zonnecellen worden ontworpen die zich aanpassen aan verschillende klimaten en lichtomstandigheden, wat hun toepasbaarheid wereldwijd verbetert.
3. Verlagen van Productiekosten:
   Bandgap-optimalisatie verbetert niet alleen de efficiëntie, maar verlaagt ook de productiekosten door materiaal- en procesinnovaties. Bijvoorbeeld, perovskietmaterialen vertonen uitstekende bandgap-afstemmingsmogelijkheden en kosteneffectieve productieprocessen, met snelle vooruitgang in commercialisering. Het optimaliseren van de bandgap kan efficiëntere productieprocessen mogelijk maken, waardoor de kosten per watt dalen en de marktconcurrentie wordt versterkt.
4. Stimuleren van de Ontwikkeling van Nieuwe Fotovoltaïsche Materialen:
   Bandgap-optimalisatietechnieken stimuleren de ontwikkeling van nieuwe fotovoltaïsche materialen, zoals organisch-anorganische halide perovskieten en kwantumdots. Deze nieuwe materialen, met nauwkeurig afgestelde bandgaps, tonen hogere efficiëntie en bredere toepassingsmogelijkheden. In de toekomst wordt verwacht dat deze technologieën innovatieve toepassingen mogelijk maken, zoals draagbare fotovoltaïsche apparaten en gebouw-geïntegreerde fotovoltaïsche systemen.

Conclusie

Samenvattend speelt bandgap-optimalisatie een cruciale rol in praktische toepassingen door niet alleen de efficiëntie van zonnecellen te verhogen, maar ook hun aanpassingsvermogen te verbeteren, kosten te verlagen en de ontwikkeling van nieuwe technologieën te stimuleren. Met voortdurende vooruitgang in materiaalkunde en productieprocessen zal bandgap-optimalisatie de brede adoptie en vooruitgang van zonne-energietechnologie verder aandrijven, en de basis leggen voor de toekomst van wereldwijde hernieuwbare energie.

Referentie:

Zonnecellen: Een gids voor theorie en meting. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Waarom zijn zonnecellen zo inefficiënt? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, februari 22). Energiebandkloof van zonnecellen. Sinovoltaics (kantoor Hongkong). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

Lees meer: