Jaký je energetický pásmo solárních článků?

Obsah

1. Úvod
2. Co je pásmo?
3. Proč je pásmo důležité?
4. Proč je pásmo 1,5 eV považováno za optimální?
5. Pásmo různých materiálů
6. Optimalizace pásma a praktické aplikace
7. Závěr

Úvod

Proces výroby elektřiny pomocí solárních panelů závisí především na klíčovém kroku. Elektrony přecházejí z valenčního pásma (uvnitř PN přechodu solárního panelu) do vodivostního pásma (vnější obvod, například baterie). Elektrony, které se nacházejí v valenčním pásmu bez vnější energie, jsou označovány tímto způsobem. Aby bylo možné vyrobit elektřinu, musí tyto elektrony přejít do vnějšího obvodu, známého jako vodivostní pásmo.

Elektrony nepřecházejí z valenčního pásma do vodivostního pásma samy. Je třeba poskytnout určité množství energie (nazývané pásmo), aby se tento přechod usnadnil.

Co je pásmo?

Pásmo je klíčový pojem v polovodičových materiálech, který označuje minimální množství energie potřebné k tomu, aby elektrony přeskakovaly na vyšší energetickou úroveň. Je to podobné jako když děti potřebují dostatečnou sílu k tomu, aby skočily na další políčko v hopsání. Velikost pásma určuje rozsah vlnových délek fotonů, které materiál může absorbovat, což je zásadní pro výrobu proudu v solárních panelech tím, že efektivně absorbuje fotony napříč slunečním spektrem. Různé velikosti pásma umožňují materiálům optimalizovat absorpci fotonů v oblastech s vysokou nebo nízkou energií světla, což je přizpůsobuje různým environmentálním a aplikačním potřebám.

U vodičů neexistuje žádná mezera mezi vodivostním pásmem a valenčním pásmem, takže vodivostní pásmo je naplněno elektrony, což činí materiál vysoce vodivým. Naopak izolátory mají velkou mezeru mezi valenčním pásmem a vodivostním pásmem, což brání elektronům v valenčním pásmu přeskakovat do vodivostního pásma, a tím činí materiál nevodivým. Polovodiče mají pásmo, které je mezi těmito dvěma extrémy, což je obvykle činí nevodivými. Avšak když se přidá energie (pomocí světla, tepla atd.), elektrony v valenčním pásmu mohou přejít do vodivostního pásma, což umožňuje materiálu vést elektrický proud.

Proč je pásmo důležité?

Solární články fungují tak, že absorbují energii ze slunečního světla, což způsobí, že elektrony skáčou na vyšší energetické úrovně, čímž vytvářejí elektrický proud. Pásmo určuje, které energetické částice (fotony) ve slunečním světle může solární článek absorbovat. Pokud je pásmo příliš velké, mnoho fotonů nemá dostatek energie na to, aby přimělo elektrony ke skoku. Pokud je pásmo příliš malé, nadbytečná energie bude ztracena. Proto správné pásmo umožňuje solárním článkům efektivněji přeměňovat sluneční světlo na elektrickou energii.

Proč je pásmo 1,5 eV považováno za optimální?

Když fotony vzruší elektrony blízko pásma polovodiče, mohou nastat tři situace:

1. Pokud je energie fotonu menší než energie pásma polovodiče, elektrony neabsorbují energii fotonu a foton projde polovodičem. Tento jev se nazývá ztráta transparency.
2. Pokud je energie fotonu rovna energii pásma polovodiče, elektrony absorbují energii fotonu a skáčou z maximálního valenčního pásma (VBM) do minimálního vodivostního pásma (CBM). Vestavěné elektrické pole v PN přechodu odděluje tyto elektrony, čímž plně přeměňuje energii absorbovaného fotonu na elektrickou energii.
3. Pokud je energie fotonu vyšší než energie pásma polovodiče, elektrony absorbují energii fotonu a skáčou na pozici vyšší než minimální vodivostní pásmo (CBM). Nadbytečná energie je pak uvolněna jako teplo prostřednictvím procesu zvaného relaxace, což je známé jako ztráta thermalizace. Elektrony nakonec spadnou do minimálního vodivostního pásma, a vestavěné elektrické pole je odděluje, čímž část energie fotonu přeměňuje na elektrickou energii.

Na základě výše uvedeného popisu můžeme vyvodit následující závěry:

1. Větší pásmo znamená, že více fotonů s nízkou energií nemůže vzrušit elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma. To znamená, že více fotonů není absorbováno, což vede k větší ztrátě transparency. Jednoduše řečeno, čím větší je pásmo, tím větší je ztráta transparency. To je znázorněno přerušovanou čarou na grafu z levého dolního rohu do pravého horního rohu.
2. Menší pásmo vede k tomu, že více fotonů je absorbováno. Nicméně, nadbytečná energie z těchto fotonů je rozptýlena jako teplo prostřednictvím relaxačních procesů, což zvyšuje ztrátu thermalizace. Stručně řečeno, čím menší je pásmo, tím větší je ztráta thermalizace. To je znázorněno přerušovanou čarou na grafu z levého horního rohu do pravého dolního rohu.

Nakonec lze skutečnou účinnost přeměny slunečního světla na elektrickou energii, η, popsat jako:

η = 1 - Ztráta transparency - Ztráta thermalizace

Pevná čára na grafu ukazuje, že účinnost dosahuje vrcholu uprostřed a klesá na obou koncích. Je to snadné pochopit: když je pásmo příliš velké, téměř žádné fotony nejsou absorbovány, což vede k téměř nulové účinnosti přeměny. Podobně, když je pásmo příliš malé, většina energie fotonů je ztracena jako teplo po absorpci, což také vede k téměř nulové účinnosti. Maximální účinnost se vyskytuje někde uprostřed, obvykle mezi 1,0 eV a 1,5 eV, jak je znázorněno na grafu. Je důležité poznamenat, že tento graf nemusí představovat podmínky v rámci spektra AM1.5, kde je pásmo kolem 1,5 eV.

Pásmo různých materiálů

1. Křemík

Křemík je jedním z klíčových materiálů pro současné běžné solární články. Má šířku pásma přibližně 1,1 elektronvoltů (eV), což mu umožňuje efektivně přeměňovat široké spektrum vlnových délek slunečního světla. Účinnost solárních článků na bázi křemíku byla rozsáhle ověřena; laboratorní testy ukázaly, že monokrystalické solární články z křemíku dosahují až 26,7% účinnosti přeměny, zatímco komerční produkty obvykle dosahují kolem 20%. Tento materiál je dobře přizpůsoben různým globálním podmínkám slunečního záření a nabízí vynikající stabilitu a dlouhou životnost. Data ukazují, že fotovoltaické systémy využívající křemíkové solární články obvykle mají životnost přesahující 25 let.

Od roku 2008 se společnost Maysun Solar věnuje výrobě vysoce kvalitních křemíkových fotovoltaických modulů. Maysun Solar nabízí různé panely TOPCon, IBC, HJT a také solární elektrárny na balkónech. Tyto solární panely vynikají výborným výkonem a elegantním designem, který se hladce integruje do jakékoli budovy. Maysun Solar úspěšně založila kanceláře a sklady v mnoha evropských zemích a má dlouhodobé partnerství s vynikajícími instalatéry! Neváhejte nás kontaktovat pro nejnovější cenové nabídky modulů nebo jakékoli dotazy ohledně fotovoltaiky. Rádi vám pomůžeme.

2. Perovskit

Materiály na bázi perovskitu mohou upravovat své pásmo prostřednictvím chemické syntézy, což nabízí potenciál pro zvýšení účinnosti a snížení výrobních nákladů. Obvykle se pásmo perovskitových solárních článků pohybuje od 1,5 do 2,3 elektronvoltů (eV), což jim umožňuje efektivně absorbovat viditelné světlo slunečního spektra. V posledních letech došlo k rychlému zvýšení účinnosti těchto solárních článků, které vzrostlo z méně než 4 % v roce 2009 na více než 25 % dnes. Mohou být kombinovány s křemíkem k vytvoření tandemových solárních článků, což zvyšuje celkovou účinnost a těží z procesů výroby při nízkých teplotách, které výrazně snižují výrobní náklady.

Výzkumníci na Univerzitě v Cambridgi se zaměřují na perovskitové materiály pro flexibilní LED diody a solární články nové generace. Zjistili, že zjednodušení chemické kompoziční sekvence může výrazně zvýšit účinnost a snížit náklady na výrobu. V současné době se pracuje na řešení problémů s stabilitou a environmentální odolností s cílem usnadnit jejich velkoplošné komerční využití.

3. Další materiály

Vědci po celém světě zkoumají pokročilé materiály jako je selenid kadmium-gallium (CIGS), nitride galium, germanium a fosfid indium. Tyto materiály jsou navrženy tak, aby efektivně upravovaly pásmové limity multi-junction solárních článků, přeměňující celé spektrum slunečního světla na elektrickou energii.

Selenid kadmium-gallium (CIGS) a podobné materiály mají relativně úzké pásmo (přibližně 1,0 až 1,7 elektronvoltů, eV), což jim umožňuje dobře fungovat za slabého osvětlení. CIGS solární články si udržují vysokou účinnost i za oblačných dnů a při slabém světle, což je činí obzvláště vhodnými pro specifické environmentální podmínky. Například v částech Evropy, kde je intenzita slunečního světla po celý rok nižší, vykazují CIGS solární panely výrazné výhody ve výkonu. V laboratorních podmínkách dosahují CIGS solární články účinnosti přeměny až 23,4 %, zatímco komerční produkty se obvykle pohybují mezi 15 % a 18 %. Kromě toho jsou CIGS materiály flexibilní a mohou být použity k výrobě ohybatelných solárních článků, což nabízí více možností pro fotovoltaiku integrovanou do budov a přenosné zařízení.

Optimalizace Pásmového Pásma a Praktické Aplikace

Optimalizace pásmového pásma je klíčovou technologií pro zlepšení výkonu solárních článků. Přesným nastavením pásmového pásma materiálů lze dosáhnout významného zlepšení účinnosti fotovoltaické přeměny a rozmanitosti aplikací. V praktických aplikacích je dopad optimalizace pásmového pásma patrný v několika aspektech:

1. Zvyšování Účinnosti Fotovoltaické Přeměny:Optimalizace pásmového pásma materiálů umožňuje solárním článkům efektivněji absorbovat a přeměňovat fotony v celém slunečním spektru. Například použití technologie multi-junction solárních článků, která vrství materiály s různými pásmovými pásmy, maximalizuje absorpci různých vlnových délek světla, čímž výrazně zvyšuje celkovou účinnost. Tato technologie již dosáhla laboratorních účinností přes 40 % u vesmírných solárních článků a vysoké účinnosti v terestrických aplikacích.
2. Přizpůsobení Různým Environmentálním Podmínkám:Materiály s různými pásmovými pásmy jsou vhodné pro různé environmentální podmínky. Materiály s širšími pásmovými pásmy, jako je křemík, mohou stabilně fungovat v širokém rozsahu slunečního záření, zatímco materiály s užším pásmem, jako je CIGS, excelují za slabého osvětlení. Díky optimalizaci pásmového pásma lze navrhnout solární články tak, aby se přizpůsobily různým klimatickým a světelným podmínkám, čímž se zvyšuje jejich globální použitelnost.
3. Snižování Výrobních Nákladů:Optimalizace pásmového pásma nejen zlepšuje účinnost, ale také snižuje výrobní náklady prostřednictvím inovací v materiálech a procesech. Například perovskitové materiály vykazují vynikající schopnosti ladění pásmového pásma a nákladově efektivní výrobní procesy, s rychlým postupem komercializace. Optimalizace pásmového pásma může usnadnit efektivnější výrobní procesy, snížit náklady na watt a zvýšit konkurenceschopnost na trhu.
4. Podpora Vývoje Nových Fotovoltaických Materiálů:Techniky optimalizace pásmového pásma podporují vývoj nových fotovoltaických materiálů, jako jsou organicko-anorganické halidové perovskity a materiály kvantových teček. Tyto nové materiály, s přesně laděnými pásmovými pásmy, vykazují vyšší účinnost a širší aplikační potenciál. V budoucnu se očekává, že tyto technologie umožní inovativní aplikace, jako jsou nositelné fotovoltaické zařízení a fotovoltaické systémy integrované do budov.

Závěr

Na závěr lze říci, že optimalizace pásmového pásma hraje klíčovou roli v praktických aplikacích nejen zlepšením účinnosti solárních článků, ale také zlepšením jejich přizpůsobivosti, snižováním nákladů a podporou vývoje nových technologií. S neustálým pokrokem v materiálové vědě a výrobních procesech bude optimalizace pásmového pásma dále podporovat široké přijetí a rozvoj solární energetické technologie, čímž položí základ pro budoucnost globální obnovitelné energie.

Odkaz:

Solární články: Průvodce teorií a měřením. (b.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Proč jsou solární články tak neúčinné? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Nic o tom neříkají. (2024, 22. února). Energetická mezera v pásmu solárních článků. Sinovoltaics (kancelář v Hongkongu). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

Přečtěte si více: