Care Este Gărgăul de Energie al Celulelor Solare?

Conținut

1. Introducere
2. Ce Este Un Gărgău?
3. De Ce Este Important Gărgăul?
4. De Ce Gărgăul de 1,5 eV Este Considerat Optim?
5. Gărgăul Diferitelor Materiale
6. Optimizarea Gărgăului și Aplicațiile Practice
7. Concluzie

Introducere

Procesul de generare a electricității utilizând panouri solare depinde în principal de un pas crucial. Electronii trec de la banda de valență (în cadrul joncțiunii PN a panoului solar) la banda de conducție (circuitul extern, cum ar fi o baterie). Electronii care se află în banda de valență, fără energie externă, sunt denumiți astfel. Pentru a produce electricitate, acești electroni trebuie să se miște în circuitul extern, cunoscut sub numele de banda de conducție.

Electronii nu trec de la banda de valență la banda de conducție de la sine. Este necesar să fie furnizată o anumită cantitate de energie (numită gărgău) pentru a facilita această tranziție.

Ce Este Un Gărgău?

Gărgăul este un concept esențial în materialele semiconductoare, referindu-se la energia minimă necesară pentru ca electronii să sară la un nivel energetic mai mare. Acest lucru este similar cu copii care au nevoie de suficientă forță pentru a sări la următorul pătrat în jocul de țară. Dimensiunea gărgăului determină gama de lungimi de undă ale fotonilor pe care un material le poate absorbi, fiind crucială pentru generarea curentului în panourile solare prin absorbția eficientă a fotonilor din spectrul solar. Dimensiunile variate ale gărgăului permit materialelor să optimizeze absorbția fotonilor în regiunile de lumină de înaltă sau joasă energie, adaptându-se la diverse nevoi de mediu și aplicație.

Pentru conductori, nu există un gărgău între banda de conducție și banda de valență, astfel încât banda de conducție este umplută cu electroni, făcând materialul extrem de conductor. În contrast, izolațiile au un gărgău mare între banda de valență și banda de conducție, prevenind electronii din banda de valență să sară în banda de conducție, ceea ce face materialul non-conductor. Semiconductoarele au un gărgău situat între aceste două extreme, făcându-le în general non-conductoare. Totuși, atunci când se adaugă energie (prin lumină, căldură etc.), electronii din banda de valență pot trece în banda de conducție, permițând materialului să conducă electricitate.

De Ce Este Important Gărgăul?

Panourile solare funcționează prin absorbția energiei din lumina solară, ceea ce determină electronii să sară la niveluri energetice mai ridicate, creând un curent electric. Gărgăul determină ce particule de energie (fotonii) din lumina solară pot fi absorbite de celula solară. Dacă gărgăul este prea mare, mulți fotoni nu au suficientă energie pentru a face electronii să sară. Dacă gărgăul este prea mic, energia excesivă va fi irosită. Prin urmare, gărgăul corect permite panourilor solare să convertească lumina solară în electricitate mai eficient.

De Ce Este Considerat Optimum Gărgăul de 1.5 eV?

Când fotonii excită electronii aproape de gărgăul unui semiconductor, pot apărea trei situații:

1. Când energia unui foton este mai mică decât energia gărgăului semiconductorului, electronii nu absorb energia fotonului și fotonul trece prin semiconductor. Acest lucru se numește pierdere de transparență.
2. Dacă energia fotonului este egală cu energia gărgăului semiconductorului, electronii absorb energia fotonului și sar de la maximul benzii de valență (VBM) la minimul benzii de conducție (CBM). Câmpul electric încorporat în joncțiunea PN separă acești electroni, convertind complet energia absorbită a fotonului în energie electrică.
3. Dacă energia fotonului este mai mare decât energia gărgăului semiconductorului, electronii absorb energia fotonului și sar într-o poziție mai mare decât minimul benzii de conducție (CBM). Energia excesivă este apoi eliberată sub formă de căldură printr-un proces numit relaxare, cunoscut ca pierdere de termalizare. Electronii eventual cad la minimul benzii de conducție, iar câmpul electric încorporat îi separă, convertind o parte din energia fotonului în energie electrică.

Pe baza descrierii de mai sus, putem trasa următoarele concluzii:

1. Un gărgă mare înseamnă că mai mulți fotoni cu energie scăzută nu pot excita electronii din banda de valență în banda de conducție. Prin urmare, mai mulți fotoni nu sunt absorbiți, ducând la o pierdere mai mare de transparență. Pe scurt, cu cât gărgăul este mai mare, cu atât pierderea de transparență este mai mare. Acest lucru este reprezentat de linia întreruptă în grafic, din colțul din stânga jos în colțul din dreapta sus.
2. Un gărgă mic rezultă într-o absorbție mai mare a fotonilor. Totuși, energia excesivă din acești fotoni este disipată ca căldură prin procese de relaxare, crescând pierderea prin termalizare. Pe scurt, cu cât gărgăul este mai mic, cu atât pierderea prin termalizare este mai mare. Acest lucru este arătat de linia întreruptă în grafic, din colțul din stânga sus în colțul din dreapta jos.

În final, eficiența reală a conversiei luminii solare în electricitate, η, poate fi descrisă astfel:

η = 1 - Pierdere de transparență - Pierdere prin termalizare

Linia continuă de pe grafic arată că această eficiență atinge un maxim în mijloc și scade la ambele capete. Acest lucru este ușor de înțeles: când gărgăul este prea mare, aproape niciun foton nu este absorbit, rezultând într-o eficiență aproape zero a conversiei în electricitate. Similar, când gărgăul este prea mic, cea mai mare parte a energiei fotonilor este pierdută sub formă de căldură după ce este absorbită, conducând de asemenea la o eficiență aproape zero. Eficiența maximă apare undeva în mijloc, de obicei între 1,0 eV și 1,5 eV, așa cum este arătat pe grafic. Este important de menționat că acest grafic poate să nu reprezinte condițiile sub spectrul AM1.5, unde un gărgău în jur de 1,5 eV este adesea considerat optim.

Gărgăul Diferitelor Materiale

1. Silicon

Siliconul este unul dintre materialele cheie pentru celulele solare curente de tip mainstream. Are o lățime a gărgăului de aproximativ 1,1 electroni volți (eV), permițându-i să convertească eficient o gamă largă de lungimi de undă ale luminii solare. Eficiența celulelor solare pe bază de silicon a fost validată extensiv, cu teste de laborator care arată că celulele solare monocristaline din silicon ating până la 26,7% eficiență de conversie, în timp ce produsele comerciale ajung în general la aproximativ 20%. Acest material este bine adaptat pentru diverse condiții globale de radiație solară, oferind o stabilitate excelentă și o durată de viață lungă. Datele indică faptul că sistemele fotovoltaice care utilizează celule solare din silicon au, în general, o durată de viață ce depășește 25 de ani.

Din 2008, Maysun Solar a fost dedicată producerii de module fotovoltaice din silicon de înaltă calitate. Maysun Solar oferă o varietate de panouri solare TOPCon, IBC, HJT, precum și stații de energie solară pentru balcoane. Aceste panouri solare se remarcă prin performanță excelentă și design elegant, integrându-se perfect cu orice clădire. Maysun Solar a stabilit cu succes birouri și depozite în multe țări europene și are parteneriate de lungă durată cu instalatori excelenți! Vă rugăm să ne contactați pentru cele mai recente cotații ale modulelor sau pentru orice întrebări legate de fotovoltaice. Suntem bucuroși să vă asistăm.

2. Gărgăul Perovskitului

Materialele perovskitice pot ajusta gărgăul lor prin sinteză chimică, oferind potențialul de a îmbunătăți eficiența și de a reduce costurile de fabricație. De obicei, gărgăul celulelor solare perovskitice variază de la 1,5 la 2,3 electroni volți (eV), permițându-le să absoarbă eficient spectrul de lumină vizibilă al luminii solare. În ultimii ani, aceste celule solare au cunoscut o creștere rapidă a eficienței, crescând de la mai puțin de 4% în 2009 la peste 25% în prezent. Ele pot fi combinate cu silicon pentru a forma celule solare tandem, îmbunătățind eficiența generală și beneficiind de procese de fabricație la temperaturi scăzute care reduc semnificativ costurile de producție.

Cercetătorii de la Universitatea Cambridge se concentrează asupra materialelor perovskite pentru LED-uri flexibile și celule solare de nouă generație. Aceștia au descoperit că simplificarea secvenței compoziției chimice poate spori considerabil eficiența și reduce costurile de producție. În prezent, se depun eforturi pentru a rezolva problemele legate de stabilitate și durabilitate în mediu, cu scopul de a facilita aplicarea lor comercială pe scară largă.

3. Alte Materiale

Oamenii de știință din întreaga lume cercetează materiale avansate, cum ar fi seleniul de cadmiu-galium (CIGS), nitratul de galium, germaniul și fosfatul de indiu. Aceste materiale sunt concepute pentru a ajusta limitele gărgăului celulelor solare cu mai multe joncțiuni, convertind întregul spectru de lumină solară în electricitate.

Seleniul de cadmiu-galium (CIGS) și materiale similare au un gărgă relativ îngust (aproximativ 1,0 până la 1,7 electroni volți, eV), permițându-le să performeze bine în condiții de lumină scăzută. Celulele solare CIGS mențin o eficiență ridicată chiar și în zilele norătoase și în lumina slabă, făcându-le deosebit de potrivite pentru condiții de mediu specifice. De exemplu, în anumite părți ale Europei, unde intensitatea luminii solare este mai scăzută pe parcursul anului, panourile solare CIGS demonstrează avantaje semnificative în performanță. În condiții de laborator, celulele solare CIGS au realizat eficiențe de conversie de până la 23,4%, în timp ce produsele comerciale ajung în general între 15% și 18%. În plus, materialele CIGS sunt flexibile și pot fi utilizate pentru fabricarea celulelor solare pliabile, oferind mai multe opțiuni pentru fotovoltaica integrată în clădiri și dispozitivele portabile.

Optimizarea Gărgăului și Aplicații Practice

Optimizarea gărgăului este o tehnologie cheie pentru îmbunătățirea performanței celulelor solare. Prin ajustarea precisă a gărgăului materialelor, pot fi obținute îmbunătățiri semnificative în eficiența conversiei fotovoltaice și versatilitatea aplicațiilor. În aplicațiile practice, impactul optimizării gărgăului este evident în mai multe aspecte:

1. Îmbunătățirea Eficienței Conversiei Fotovoltaice:
   Optimizarea gărgăului materialelor permite celulelor solare să absoarbă și să convertească mai eficient fotonii din spectrul solar. De exemplu, utilizarea tehnologiei celulelor solare cu mai multe joncțiuni, care suprapune materiale cu gărgăuri diferite, maximizează absorbția diferitelor lungimi de undă ale luminii, sporind astfel semnificativ eficiența globală. Această tehnologie a atins deja eficiențe de laborator de peste 40% în celulele solare pentru spațiu și aplicații terestre de înaltă eficiență.
2. Adaptarea la Condiții Ambientale Diverse:
   Materialele cu gărgăuri diferite sunt potrivite pentru condiții ambientale variate. Materialele cu gărgăuri mai largi, cum ar fi siliciul, pot funcționa stabil sub o gamă largă de condiții de radiație solară, în timp ce materialele cu gărgăuri mai înguste, cum ar fi CIGS, excelență în condiții de lumină scăzută. Prin optimizarea gărgăului, celulele solare pot fi proiectate pentru a se adapta la diferite clime și condiții de lumină, îmbunătățindu-le aplicabilitatea la nivel global.
3. Reducerea Costurilor de Fabricare:
   Optimizarea gărgăului nu numai că îmbunătățește eficiența, dar și reduce costurile de producție prin inovații în materiale și procese. De exemplu, materialele perovskitice prezintă capabilități excelente de ajustare a gărgăului și procese de fabricare cost-eficiente, cu progrese rapide în comercializare. Optimizarea gărgăului poate facilita procese de fabricație mai eficiente, reducând costul per watt și îmbunătățind competitivitatea pe piață.
4. Impulsul Dezvoltării Noilor Materiale Fotovoltaice:
   Tehnicile de optimizare a gărgăului conduc la dezvoltarea de noi materiale fotovoltaice, cum ar fi perovskitele organice-inorganice și materialele cu puncte cuantice. Aceste materiale noi, cu gărgăuri ajustate precis, demonstrează o eficiență mai mare și un potențial mai larg de aplicare. În viitor, aceste tehnologii sunt așteptate să permită aplicații inovatoare, cum ar fi dispozitivele fotovoltaice purtabile și sistemele fotovoltaice integrate în clădiri.

Concluzie

În concluzie, optimizarea gărgăului joacă un rol crucial în aplicațiile practice, nu doar prin îmbunătățirea eficienței celulelor solare, dar și prin îmbunătățirea adaptabilității lor, reducerea costurilor și impulsionarea dezvoltării noilor tehnologii. Cu progrese continue în știința materialelor și procesele de fabricație, optimizarea gărgăului va propulsa și mai departe adoptarea pe scară largă și avansarea tehnologiei energiei solare, punând baza pentru viitorul energiei regenerabile globale.

Referințe:

Solar Cells: Un ghid pentru teorie și măsurare. (n.red.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

De ce sunt celulele solare atât de ineficiente? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 februarie). 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, 23 iulie). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

Citește mai mult: