Was ist die Energiebandlücke von Solarzellen?

Inhalt

1. Einleitung
2. Was ist eine Bandlücke?
3. Warum ist die Bandlücke wichtig?
4. Warum wird eine Bandlücke von 1,5 eV als optimal betrachtet?
5. Bandlücke verschiedener Materialien
6. Optimierung der Bandlücke und praktische Anwendungen
7. Fazit

Einleitung

Der Prozess der Stromerzeugung mit Solarpaneelen hängt in erster Linie von einem entscheidenden Schritt ab. Elektronen wechseln vom Valenzband (innerhalb des PN-Übergangs des Solarpaneels) zum Leitungsband (externen Schaltkreis, wie einer Batterie). Elektronen, die sich ohne äußere Energie im Valenzband befinden, werden als solche bezeichnet. Um Strom zu erzeugen, müssen diese Elektronen in den externen Schaltkreis, das sogenannte Leitungsband, übergehen.

Elektronen wechseln nicht von selbst vom Valenzband zum Leitungsband. Eine bestimmte Energiemenge (die als Bandlücke bezeichnet wird) muss bereitgestellt werden, um diesen Übergang zu ermöglichen.

Was ist eine Bandlücke?

Die Bandlücke ist ein entscheidendes Konzept in Halbleitermaterialien und bezieht sich auf die minimale Energie, die erforderlich ist, damit Elektronen auf ein höheres Energieniveau springen können. Dies ist vergleichbar mit Kindern, die genug Kraft benötigen, um beim Hüpfspiel zum nächsten Feld zu springen. Die Größe der Bandlücke bestimmt den Bereich der Photonenwellenlängen, die ein Material absorbieren kann, was für die Stromerzeugung in Solarpaneelen entscheidend ist, da es Photonen über das gesamte Sonnenspektrum effizient absorbiert. Unterschiedliche Bandlückengrößen ermöglichen es Materialien, die Photonabsorption in Hoch- oder Niedrigenergiebereichen zu optimieren und sich so an unterschiedliche Umgebungs- und Anwendungsbedürfnisse anzupassen.

Bei Leitern gibt es keine Lücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband, sodass das Leitungsband mit Elektronen gefüllt ist, was das Material hochleitfähig macht. Im Gegensatz dazu haben Isolatoren eine große Lücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, was verhindert, dass Elektronen im Valenzband zum Leitungsband springen, wodurch das Material nicht leitfähig wird. Halbleiter haben eine Bandlücke, die zwischen diesen beiden Extremen liegt, wodurch sie normalerweise nicht leitfähig sind. Wenn jedoch Energie zugeführt wird (durch Licht, Wärme usw.), können Elektronen im Valenzband in das Leitungsband übergehen, was es dem Material ermöglicht, Strom zu leiten.

Warum ist die Bandlücke wichtig?

Solarzellen funktionieren, indem sie Energie aus Sonnenlicht absorbieren, wodurch Elektronen auf höhere Energieniveaus springen und einen elektrischen Strom erzeugen. Die Bandlücke bestimmt, welche Energiepartikel (Photonen) im Sonnenlicht die Solarzelle absorbieren kann. Wenn die Bandlücke zu groß ist, haben viele Photonen nicht genug Energie, um die Elektronen springen zu lassen. Ist die Bandlücke zu klein, wird überschüssige Energie verschwendet. Daher ermöglicht die richtige Bandlücke den Solarzellen, Sonnenlicht effizienter in Strom umzuwandeln.

Warum wird eine Bandlücke von 1,5 eV als optimal betrachtet?

Wenn Photonen Elektronen in der Nähe der Bandlücke eines Halbleiters anregen, können drei Situationen auftreten:

1. Wenn die Energie eines Photons geringer ist als die Bandlückenenergie des Halbleiters, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons nicht und das Photon passiert den Halbleiter. Dies wird als Transparenzverlust bezeichnet.
2. Wenn die Energie des Photons der Bandlückenenergie des Halbleiters entspricht, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons und springen vom Valenzbandmaximum (VBM) zum Leitungsbandminimum (CBM). Das eingebaute elektrische Feld im PN-Übergang trennt diese Elektronen und wandelt die absorbierte Energie des Photons vollständig in elektrische Energie um.
3. Wenn die Energie des Photons größer ist als die Bandlückenenergie des Halbleiters, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons und springen zu einer Position oberhalb des Leitungsbandminimums (CBM). Die überschüssige Energie wird dann als Wärme durch einen Prozess namens Relaxation freigesetzt, der als Thermalisationsverlust bekannt ist. Die Elektronen fallen schließlich auf das Leitungsbandminimum und das eingebaute elektrische Feld trennt sie, wobei ein Teil der Photonenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Basierend auf der obigen Beschreibung können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Eine größere Bandlücke bedeutet, dass mehr niederenergetische Photonen die Elektronen nicht vom Valenzband zum Leitungsband anregen können. Daher werden mehr Photonen nicht absorbiert, was zu einem höheren Transparenzverlust führt. Einfach ausgedrückt, je größer die Bandlücke, desto größer der Transparenzverlust. Dies wird in der Grafik durch die gestrichelte Linie von unten links nach oben rechts dargestellt.
2. Eine kleinere Bandlücke führt dazu, dass mehr Photonen absorbiert werden. Allerdings wird die überschüssige Energie dieser Photonen durch Relaxationsprozesse als Wärme abgegeben, was den Thermalisationsverlust erhöht. Kurz gesagt, je kleiner die Bandlücke, desto größer der Thermalisationsverlust. Dies wird durch die gestrichelte Linie in der Grafik von oben links nach unten rechts dargestellt.

Letztendlich kann die tatsächliche Effizienz der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, η, wie folgt beschrieben werden:η = 1 - Transparenzverlust - Thermalisationsverlust

Die durchgezogene Linie in der Grafik zeigt, dass diese Effizienz in der Mitte ihren Höhepunkt erreicht und an beiden Enden abfällt. Dies ist leicht zu verstehen: Wenn die Bandlücke zu groß ist, werden fast keine Photonen absorbiert, was zu einer nahezu null Effizienz der Stromumwandlung führt. Ebenso, wenn die Bandlücke zu klein ist, geht ein Großteil der Photonenergie nach der Absorption als Wärme verloren, was ebenfalls zu einer nahezu null Effizienz führt. Die höchste Effizienz tritt irgendwo in der Mitte auf, typischerweise zwischen 1,0 eV und 1,5 eV, wie in der Grafik gezeigt. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Grafik möglicherweise nicht die Bedingungen unter dem AM1.5-Spektrum darstellt, bei dem eine Bandlücke von etwa 1,5 eV als optimal angesehen wird.

Bandlücke verschiedener Materialien

1.Silizium

Silizium ist eines der Hauptmaterialien für derzeit gängige Solarzellen. Es hat eine Bandlückenbreite von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV), wodurch es in der Lage ist, ein breites Spektrum von Sonnenlichtwellenlängen effektiv umzuwandeln. Die Effizienz von siliziumbasierten Solarzellen ist umfassend validiert, wobei Labortests zeigen, dass monokristalline Silizium-Solarzellen eine Umwandlungseffizienz von bis zu 26,7% erreichen, während kommerzielle Produkte typischerweise etwa 20% erreichen. Dieses Material ist gut geeignet für verschiedene globale Solarstrahlungsbedingungen und bietet ausgezeichnete Stabilität und eine lange Lebensdauer. Daten zeigen, dass photovoltaische Systeme mit Silizium-Solarzellen in der Regel eine Lebensdauer von über 25 Jahren haben.

Seit 2008 widmet sich Maysun Solar der Produktion hochwertiger Silizium-Photovoltaikmodule. Maysun Solar bietet eine Vielzahl von TOPCon-, IBC-, HJT-Solarmodulen sowie Balkonkraftwerke an. Diese Solarmodule zeichnen sich durch hervorragende Leistung und stilvolles Design aus, die sich nahtlos in jedes Gebäude integrieren lassen. Maysun Solar hat erfolgreich Büros und Lagerhäuser in vielen europäischen Ländern etabliert und langfristige Partnerschaften mit exzellenten Installateuren aufgebaut! Bitte zögern Sie nicht, uns für die neuesten Modulpreise oder bei jeglichen photovoltaischen Anfragen zu kontaktieren. Wir helfen Ihnen gerne weiter.

2.Perowskit

Perowskitmaterialien können ihre Bandlücke durch chemische Synthese anpassen, was das Potenzial bietet, die Effizienz zu steigern und die Herstellungskosten zu senken. Typischerweise liegt die Bandlücke von Perowskit-Solarzellen zwischen 1,5 und 2,3 Elektronenvolt (eV), was es ihnen ermöglicht, das sichtbare Lichtspektrum des Sonnenlichts effizient zu absorbieren. In den letzten Jahren hat die Effizienz dieser Solarzellen rapide zugenommen, von weniger als 4 % im Jahr 2009 auf heute über 25 %. Sie können mit Silizium kombiniert werden, um Tandem-Solarzellen zu bilden, was die Gesamteffizienz steigert und von Niedrigtemperatur-Herstellungsprozessen profitiert, die die Produktionskosten erheblich senken.

Forscher der Universität Cambridge konzentrieren sich auf Perowskitmaterialien für flexible LEDs und Solarzellen der nächsten Generation. Sie haben herausgefunden, dass die Vereinfachung der chemischen Zusammensetzungssequenz die Effizienz erheblich steigern und die Produktionskosten senken kann. Derzeit wird daran gearbeitet, Stabilitäts- und Umweltbeständigkeitsprobleme zu lösen, um deren großflächige kommerzielle Anwendung zu erleichtern.

3.Andere Materialien

Wissenschaftler weltweit forschen an fortschrittlichen Materialien wie Cadmium-Gallium-Selenid (CIGS), Galliumnitrid, Germanium und Indiumphosphid. Diese Materialien sind darauf ausgelegt, die Bandlücken von Mehrfachübergangs-Solarzellen effektiv anzupassen, um das gesamte Spektrum des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln.

Cadmium-Gallium-Selenid (CIGS) und ähnliche Materialien haben eine relativ schmale Bandlücke (etwa 1,0 bis 1,7 Elektronenvolt, eV), was es ihnen ermöglicht, auch bei schwachem Licht gut zu funktionieren. CIGS-Solarzellen behalten eine hohe Effizienz auch an bewölkten Tagen und bei schwachem Licht, was sie besonders für bestimmte Umweltbedingungen geeignet macht. Beispielsweise zeigen CIGS-Solarmodule in Teilen Europas, wo die Sonnenintensität das ganze Jahr über niedriger ist, erhebliche Leistungs Vorteile. Unter Laborbedingungen haben CIGS-Solarzellen Umwandlungseffizienzen von bis zu 23,4% erreicht, während kommerzielle Produkte typischerweise im Bereich von 15% bis 18% liegen. Darüber hinaus sind CIGS-Materialien flexibel und können zur Herstellung von biegsamen Solarzellen verwendet werden, was mehr Auswahlmöglichkeiten für gebäudeintegrierte Photovoltaik und tragbare Geräte bietet.

Optimierung der Bandlücke und praktische Anwendungen

Die Optimierung der Bandlücke ist eine Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen. Durch die präzise Anpassung der Bandlücke von Materialien können erhebliche Verbesserungen in der photovoltaischen Umwandlungseffizienz und der Anwendungsvielfalt erzielt werden. In praktischen Anwendungen ist der Einfluss der Bandlückenoptimierung in mehreren Aspekten offensichtlich:

1. Steigerung der photovoltaischen Umwandlungseffizienz:Die Optimierung der Bandlücke von Materialien ermöglicht es Solarzellen, Photonen im gesamten Sonnenspektrum effektiver zu absorbieren und umzuwandeln. Beispielsweise maximiert die Verwendung von Mehrfachübergangs-Solarzellentechnologie, bei der Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken übereinandergeschichtet werden, die Absorption von Licht in verschiedenen Wellenlängen und steigert dadurch die Gesamteffizienz erheblich. Diese Technologie hat bereits Laboreffizienzen von über 40% in Weltraum-Solarzellen und hocheffizienten terrestrischen Anwendungen erreicht.
2. Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen:Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken sind für verschiedene Umweltbedingungen geeignet. Materialien mit größeren Bandlücken, wie Silizium, können unter einer Vielzahl von Solarstrahlungsbedingungen stabil arbeiten, während Materialien mit kleineren Bandlücken, wie CIGS, sich bei schwachem Licht auszeichnen. Durch die Optimierung der Bandlücke können Solarzellen so gestaltet werden, dass sie sich an verschiedene Klimazonen und Lichtverhältnisse anpassen, wodurch ihre Anwendbarkeit weltweit verbessert wird.
3. Reduzierung der Herstellungskosten:Die Optimierung der Bandlücke verbessert nicht nur die Effizienz, sondern senkt auch die Produktionskosten durch Material- und Prozessinnovationen. Beispielsweise zeigen Perowskitmaterialien hervorragende Fähigkeiten zur Bandlückenanpassung und kosteneffiziente Herstellungsprozesse, mit einem schnellen Fortschritt in der Kommerzialisierung. Die Optimierung der Bandlücke kann effizientere Herstellungsprozesse ermöglichen, die Kosten pro Watt senken und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt erhöhen.
4. Förderung der Entwicklung neuer photovoltaischer Materialien:Techniken zur Optimierung der Bandlücke treiben die Entwicklung neuer photovoltaischer Materialien wie organisch-anorganische Halogenid-Perowskite und Quantenpunktmaterialien voran. Diese neuen Materialien mit präzise abgestimmten Bandlücken zeigen höhere Effizienz und ein breiteres Anwendungspotenzial. In der Zukunft werden diese Technologien voraussichtlich innovative Anwendungen wie tragbare photovoltaische Geräte und gebäudeintegrierte Photovoltaiksysteme ermöglichen.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Optimierung der Bandlücke eine entscheidende Rolle in praktischen Anwendungen spielt, indem sie nicht nur die Effizienz von Solarzellen steigert, sondern auch deren Anpassungsfähigkeit verbessert, Kosten senkt und die Entwicklung neuer Technologien vorantreibt. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Materialwissenschaft und den Herstellungsprozessen wird die Optimierung der Bandlücke die weit verbreitete Einführung und den Fortschritt der Solarenergietechnologie weiter vorantreiben und somit das Fundament für die Zukunft der globalen erneuerbaren Energien legen.

Referenzen：

Solar Cells: A Guide to Theory and Measurement. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Why are solar cells so inefficient? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, February 22). Energy Band Gap of Solar cells. Sinovoltaics (Hong Kong Office). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

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