Mikä on aurinkopaneelien energiakitaraja?

Sisältö

1. Johdanto
2. Mikä on kitaraja?
3. Miksi kitaraja on tärkeä?
4. Miksi 1,5 eVkitarajaa pidetään optimaalina?
5. Erilaisten materiaalien kitarajat
6. Kitarajan optimointi ja käytännön sovellukset
7. Yhteenveto

Johdanto

Sähkön tuottaminen aurinkopaneeleilla perustuu pääasiassa kriittiseen vaiheeseen. Elektronit siirtyvät valenssiltä (aurinkopaneelin PN-liitoksessa) johtokielelle (ulkoinen piiri, kuten akku). Valenssilla olevia elektroneja, ilman ulkoista energiaa, kutsutaan tällaisiksi. Sähkön tuottamiseksi nämä elektronit on siirrettävä ulkoiseen piiriin, jota kutsutaan johtokieleksi.

Elektronit eivät siirry valenssilta johtokielelle itsestään. Tällöin tarvitaan tietty määrä energiaa (jota kutsutaan kitarajaksi) tämän siirtymän mahdollistamiseksi.

Mikä on kitaraja?

Kitaraja on keskeinen käsite puolijohdemateriaaleissa ja viittaa minimoitavaan energiaan, joka tarvitaan elektronien siirtymiseen korkeammalle energiatilalle. Tämä on verrattavissa lasten tarvitsemaan voimaan hyppiessään seuraavaan ruutuun hyppyskässä. Kitarajan koko määrää sen, millä aallonpituuden alueella materiaali voi absorboida fotoneita, mikä on olennaista sähkön tuottamiseksi aurinkopaneeleissa tehokkaasti absorboimalla fotoneita aurinkospektrin eri alueilta. Vaihtelevat kitarajan koot mahdollistavat materiaalien optimoida fotonien absorptiota korkeaa tai matalaa energiaa sisältävissä valon alueilla, sopeutuen erilaisiin ympäristö- ja sovellustarpeisiin.

Johtimissa ei ole kitarajaa johtokielen ja valenssilta välillä, joten johtokieli on täynnä elektroneja, mikä tekee materiaalista erittäin johtavan. Sen sijaan eristeissä on suuri kitaraja valenssilta ja johtokielen välillä, mikä estää elektroneja valenssilta siirtymästä johtokielelle ja tekee materiaalista ei-johtavan. Puolijohteilla on kitaraja, joka on näiden kahden ääripään välillä, jolloin ne ovat yleensä ei-johtavia. Kuitenkin, kun energiaa lisätään (valon, lämmön jne. kautta), elektronit valenssilta voivat siirtyä johtokielelle, jolloin materiaali voi johtaa sähköä.

Miksi kitaraja on tärkeä?

Aurinkosellit toimivat siten, että ne absorboivat auringonvalosta energiaa, mikä saa elektronit hyppäämään korkeammille energiatasoille ja luomaan sähkövirtaa. Kitaraja määrittää, minkä energian hiukkaset (fotoniat) auringonvalosta aurinkopaneeli voi absorboida. Jos kitaraja on liian suuri, monet fotonit eivät omaa riittävästi energiaa saadakseen elektronit hyppäämään. Jos kitaraja on liian pieni, ylimääräinen energia menee hukkaan. Siksi oikea kitaraja mahdollistaa aurinkosellien muuntavan auringonvalon sähköksi tehokkaammin.

Miksi kitaraja 1,5 eV on optimaalinen?

Kun fotonit virittävät elektroneja lähellä puolijohteen kitarajaa, voi tapahtua kolme tilannetta:

1. Kun fotonin energia on pienempi kuin puolijohteen kitarajaenergia, elektronit eivät ime fotonin energiaa, ja fotoni kulkee puolijohteen läpi. Tätä kutsutaan läpinäkyvyysmenetykseksi.
2. Jos fotonin energia on yhtä suuri kuin puolijohteen kitarajaenergia, elektronit imevät fotonin energian ja hyppäävät valenssilta maksimista (VBM) johtokielen minimille (CBM). PN-liitoksessa oleva sisäänrakennettu sähkökenttä erottaa nämä elektronit, ja näin fotonin energia muunnetaan täysin sähköenergiaksi.
3. Jos fotonin energia on suurempi kuin puolijohteen kitarajaenergia, elektronit imevät fotonin energian ja hyppäävät korkeammalle kuin johtokielen minimi (CBM). Ylimääräinen energia vapautuu sitten lämmön muodossa prosessissa, jota kutsutaan rentoutumiseksi, ja tätä kutsutaan termalisointimenetykseksi. Elektronit putoavat lopulta johtokielen minimille, ja sisäänrakennettu sähkökenttä erottaa ne, muuntaen osan fotonin energiasta sähköenergiaksi.

Edellä esitetyn kuvauksen perusteella voidaan tehdä seuraavat päätelmät:

1. Suurempi kitaraja tarkoittaa, että enemmän alhaisen energian fotoneista ei pysty virittämään elektroneja valenssikaistalta johtokielen kaistalle. Tämän seurauksena useammat fotonit jäävät absorboimatta, mikä johtaa suurempaan läpinäkyvyysmenetykseen. Yksinkertaisesti sanottuna, mitä suurempi kitaraja, sitä suurempi läpinäkyvyysmenetys. Tämä esitetään katkoviivalla käyrällä, joka kulkee vasemmalta alhaalta oikealle ylös.

2. Pienempi kitaraja johtaa siihen, että useammat fotonit imeytyvät. Kuitenkin, ylimääräinen energia näistä fotoneista haihtuu lämmöksi rentoutumisprosessien kautta, mikä lisää termalisointimenetystä. Lyhyesti sanottuna, mitä pienempi kitaraja, sitä suurempi termalisointimenetys. Tämä esitetään katkoviivalla käyrällä, joka kulkee vasemmalta ylhäältä oikealle alas.

Lopuksi, auringonvalon muuntamisen todellinen tehokkuus sähköksi, η, voidaan kuvata seuraavasti:

η = 1 - Läpinäkyvyysmenetys - Termalisointimenetys

Yhtenäinen viiva käyrällä näyttää tämän tehokkuuden huipentuvan keskellä ja laskevan molemmissa päissä. Tämä on helppo ymmärtää: kun kitaraja on liian suuri, lähes kaikki fotonit jäävät absorboimatta, mikä johtaa lähes nollaan sähkön muuntamisen tehokkuuteen. Samoin, kun kitaraja on liian pieni, suurin osa fotonien energiasta menee lämpönä hukkaan sen jälkeen, kun se on imeytynyt, mikä myös johtaa lähes nollaan tehokkuuteen. Huippu-effektiivisyys saavutetaan jossain keskellä, yleensä kitarajalla, joka on välillä 1,0 eV ja 1,5 eV, kuten käyrässä on esitetty. On tärkeää huomata, että tämä käyrä ei välttämättä edusta AM1.5-spektrin olosuhteita, jossa kitaraja noin 1,5 eV.

Kitaraja eri materiaaleilla

1. Piidioksiidi

Piidioksiidi on yksi avainmateriaaleista nykyisissä valtavirran aurinkopaneeleissa. Sen kitaraja on noin 1,1 elektronivolttia (eV), mikä mahdollistaa sen tehokkaan muuntamisen laajan auringonvalon aallonpituusalueen osalta. Piidioksiidista valmistettujen aurinkopaneelien tehokkuus on laajalti validoitu, laboratorio-olosuhteissa monokristalliset piipaneelit ovat saavuttaneet jopa 26,7 % muuntamistehokkuuden, kun taas kaupallisesti saatavilla olevat tuotteet saavuttavat tyypillisesti noin 20 %. Tämä materiaali sopii erinomaisesti erilaisiin globaalin auringon säteilyolosuhteisiin, tarjoten erinomaisen vakauden ja pitkän käyttöiän. Tiedot osoittavat, että piidioksiidia käyttävillä aurinkosähköjärjestelmillä on yleensä yli 25 vuoden käyttöikä.

Vuodesta 2008 alkaen Maysun Solar on ollut omistautunut korkealaatuisten piidioksiidia sisältävien aurinkomoduulien valmistukseen. Maysun Solar tarjoaa erilaisia TOPCon, IBC, HJT -aurinkopaneeleita sekä parvekkeiden aurinkosähkölaitteita. Nämä aurinkopaneelit tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn ja tyylikkään muotoilun, sulautuen saumattomasti kaikkiin rakennuksiin. Maysun Solar on onnistuneesti perustanut toimistot ja varastot moniin Euroopan maihin ja sillä on pitkäaikaisia kumppanuuksia erinomaisiin asentajiin! Ota yhteyttä saadaksesi viimeisimmät hintatarjoukset moduuleista tai kysy lisätietoja aurinkosähkön alalta. Autamme mielellämme.

2. Perovskiitti

Perovskiittimateriaalit voivat säätää kitarajaansa kemiallisen synnin kautta, mikä tarjoaa mahdollisuuksia tehokkuuden parantamiseen ja valmistuskustannusten vähentämiseen. Tyypillisesti perovskiittiaurinkosolujen kitaraja vaihtelee 1,5

ä 2,3 elektronivolttiin (eV), mikä mahdollistaa niiden tehokkaan valon spektrin imeytymisen auringonvalosta. Viime vuosina näiden aurinkosolujen tehokkuus on noussut nopeasti, alle 4 %

vuonna 2009 yli 25 %

tänään. Ne voidaan yhdistää piin kanssa tandem-aurinkosoluiksi, mikä parantaa kokonaist tehokkuutta ja hyödyntää alhaisen lämpötilan valmistusprosesseja, jotka merkittävästi vähentävät tuotantokustannuksia.

Cambridgen yliopiston tutkijat keskittyvät perovskiittimateriaaleihin joustavien LED-valojen ja seuraavan sukupolven aurinkosolujen kehittämisessä. He ovat todenneet, että kemiallisen koostumuksen yksinkertaistaminen voi huomattavasti parantaa tehokkuutta ja vähentää tuotantokustannuksia. Tällä hetkellä tehdään töitä vakauden ja ympäristön kestävyysongelmien ratkaisemiseksi, pyrkien helpottamaan niiden laajamittaista kaupallista soveltamista.

3. Muut materiaalit

Tutkijat ympäri maailmaa tutkivat edistyneitä materiaaleja, kuten kadmiumgalliumseeniä (CIGS), galliumnitridiä, germaniumia ja indiumfosfidia. Näiden materiaalien avulla voidaan tehokkaasti säätää monijärjestelmällisten aurinkosolujen kitarajan rajoja, jolloin koko auringon spektri voidaan muuntaa sähköksi.

Kadmiumgalliumseeni (CIGS) ja vastaavat materiaalit omaavat suhteellisen kapean kitarajan (noin 1,0 - 1,7 elektronivolttia, eV), mikä mahdollistaa niiden hyvän suorituskyvyn heikossa valossa. CIGS-aurinkosolut säilyttävät korkean tehokkuuden myös pilvisinä päivinä ja heikossa valossa, mikä tekee niistä erityisen soveltuvia tietyille ympäristöolosuhteille. Esimerkiksi Euroopan osissa, joissa auringonvalon intensiivisyys on alhaisempi koko vuoden ajan, CIGS-aurinkopaneelit osoittavat merkittäviä suorituskykyetuja. Laboratorio-olosuhteissa CIGS-aurinkosolut ovat saavuttaneet muuntamistehokkuuksia jopa 23,4 %, kun taas kaupallisesti saatavilla olevat tuotteet vaihtelevat tyypillisesti 15 %

18 %. Lisäksi CIGS-materiaalit ovat joustavia ja niitä voidaan käyttää taivutettavien aurinkosolujen valmistukseen, tarjoten enemmän vaihtoehtoja rakennuksiin integroiduille aurinkosähköratkaisuille ja kannettaville laitteille.

Kitarajan optimointi ja käytännön sovellukset

Kitarajan optimointi on keskeinen tekniikka aurinkokennojen suorituskyvyn parantamisessa. Säätämällä materiaalien kitarajaa tarkasti, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia valosähköisessä muunnostehokkuudessa ja sovellusten monipuolisuudessa. Käytännön sovelluksissa kitarajan optimoinnin vaikutukset näkyvät useilla osa-alueilla:

1. Valosähköisen muunnostehokkuuden parantaminen:

Kitarajan optimointi mahdollistaa aurinkokennojen tehokkaamman fotonien imeytymisen ja muuntamisen auringon spektrin eri aallonpituuksilla. Esimerkiksi monijuntion aurinkokennoteknologian käyttöönotto, jossa kerrostetaan eri kitarajojen materiaaleja, maksimoi valon eri aallonpituuksien imeytymisen, mikä nostaa kokonaistehokkuutta merkittävästi. Tämä teknologia on jo saavuttanut laboratoriotehokkuuksia yli 40 % avaruuden aurinkokennoissa ja tehokkaissa maasovelluksissa.

2. Mukautuminen erilaisiin ympäristöolosuhteisiin:

Eri kitarajojen materiaalit soveltuvat erilaisiin ympäristöolosuhteisiin. Laajemman kitarajan materiaalit, kuten pii, voivat toimia vakaasti laajalla auringonsäteilyn alueella, kun taas kapeamman kitarajan materiaalit, kuten CIGS, suoriutuvat erinomaisesti heikossa valossa. Kitarajan optimoinnin avulla aurinkokennot voidaan suunnitella mukautumaan erilaisiin ilmastoihin ja valo-olosuhteisiin, mikä parantaa niiden sovellettavuutta maailmanlaajuisesti.

3. Valmistuskustannusten vähentäminen:

Kitarajan optimointi ei vain paranna tehokkuutta, vaan myös alentaa tuotantokustannuksia materiaalien ja prosessien innovaatioiden kautta. Esimerkiksi perovskiittimateriaalit tarjoavat erinomaiset kitarajan säätöominaisuudet ja kustannustehokkaat valmistusprosessit, joilla on nopea kaupallistumisen edistyminen. Kitarajan optimointi voi helpottaa tehokkaampia valmistusprosesseja, vähentää kustannuksia wattia kohden ja parantaa markkinakilpailukykyä.

4. Uusien valosähköisten materiaalien kehityksen edistäminen:

Kitarajan optimointitekniikat edistävät uusien valosähköisten materiaalien kehitystä, kuten orgaanis-epäorgaanisia halidiperovskiitteja ja kvanttipistemateriaaleja. Näillä uusilla materiaaleilla, joiden kitaraja on tarkasti säädetty, on korkeampi tehokkuus ja laajemmat sovellusmahdollisuudet. Tulevaisuudessa nämä teknologiat mahdollistavat innovatiivisia sovelluksia, kuten puettavia valosähköisiä laitteita ja rakennuksiin integroituvia valosähköjärjestelmiä.

Johtopäätös

Kitarajan optimointi näyttelee keskeistä roolia käytännön sovelluksissa parantaen aurinkokennojen tehokkuutta, parantaen niiden mukautumiskykyä, alentamalla kustannuksia ja edistäen uusien teknologioiden kehitystä. Materiaalitieteen ja valmistusprosessien jatkuvan kehityksen myötä kitarajan optimointi vauhdittaa entisestään aurinkoenergiateknologian laajamittaista käyttöönottoa ja kehitystä, luoden perustan tulevaisuuden globaalille uusiutuvalle energialle.

Viite:

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

Miksi aurinkokennot ovat niin tehottomia? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22. helmikuuta). Aurinkokennojen energiakaistaväli. Sinovoltaics (Hongkongin toimisto). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/.

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

Lisätietoja: