Περιεχόμενο

1. Εισαγωγή
2. Τι Είναι το Ενεργειακό Χάσμα;
3. Γιατί Είναι Σημαντικό το Ενεργειακό Χάσμα;
4. Γιατί Το Χάσμα 1.5 eV Θεωρείται Βέλτιστο;
5. Χάσμα Διαφορετικών Υλικών
6. Βελτιστοποίηση του Χάσματος και Πρακτικές Εφαρμογές
7. Συμπεράσματα

Εισαγωγή

Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισμού με τη χρήση φωτοβολταϊκών πάνελ βασίζεται κυρίως σε ένα κρίσιμο βήμα. Τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από τη ζώνη αξίας (εντός της περιοχής PN του φωτοβολταϊκού πάνελ) στη ζώνη αγωγιμότητας (στον εξωτερικό κύκλωμα, όπως μια μπαταρία). Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη ζώνη αξίας, χωρίς εξωτερική ενέργεια, ονομάζονται έτσι. Για την παραγωγή ηλεκτρισμού, αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να μετακινηθούν στο εξωτερικό κύκλωμα, γνωστό ως ζώνη αγωγιμότητας.

Τα ηλεκτρόνια δεν μεταβαίνουν από τη ζώνη αξίας στη ζώνη αγωγιμότητας από μόνα τους. Πρέπει να παρασχεθεί μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας (που αναφέρεται ως χάσμα) για να διευκολυνθεί αυτή η μετάβαση.

Τι Είναι το Ενεργειακό Χάσμα;

Το ενεργειακό χάσμα είναι μια κρίσιμη έννοια στα ημιαγωγικά υλικά, αναφερόμενο στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τα ηλεκτρόνια να μεταπηδήσουν σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Αυτό είναι παρόμοιο με τα παιδιά που χρειάζονται αρκετή δύναμη για να πηδήξουν στο επόμενο τετράγωνο στο παιχνίδι της καμήλας. Το μέγεθος του ενεργειακού χάσματος καθορίζει το εύρος των μηκών κύματος φωτονίων που μπορεί να απορροφήσει ένα υλικό, κάτι που είναι κρίσιμο για την παραγωγή ρεύματος σε φωτοβολταϊκά πάνελ, απορροφώντας αποτελεσματικά φωτόνια σε όλο το ηλιακό φάσμα. Η ποικιλία στο μέγεθος του χάσματος επιτρέπει στα υλικά να βελτιστοποιήσουν την απορρόφηση φωτονίων σε περιοχές υψηλής ή χαμηλής ενέργειας, προσαρμόζοντας τις ανάγκες του περιβάλλοντος και των εφαρμογών.

Για τους αγωγούς, δεν υπάρχει χάσμα μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης αξίας, οπότε η ζώνη αγωγιμότητας είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια, κάνοντάς τους υλικό πολύ αγώγιμο. Αντίθετα, οι μονωτές έχουν ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ της ζώνης αξίας και της ζώνης αγωγιμότητας, αποτρέποντας τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αξίας να μεταπηδήσουν στη ζώνη αγωγιμότητας, κάνοντάς τους υλικό μη αγώγιμο. Τα ημιαγωγικά υλικά έχουν ένα χάσμα που είναι μεταξύ αυτών των δύο άκρων, συνήθως κάνοντάς τα μη αγώγιμα. Ωστόσο, όταν προστίθεται ενέργεια (μέσω φωτός, θερμότητας, κ.λπ.), τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αξίας μπορούν να μετακινηθούν στη ζώνη αγωγιμότητας, επιτρέποντας στο υλικό να αγωγήσει ηλεκτρισμό.

Γιατί Είναι Σημαντικό το Ενεργειακό Χάσμα;

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα λειτουργούν απορροφώντας ενέργεια από το ηλιακό φως, γεγονός που προκαλεί την άνοδο των ηλεκτρονίων σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Το ενεργειακό χάσμα καθορίζει ποια σωματίδια ενέργειας (φωτόνια) στο ηλιακό φως μπορεί να απορροφήσει το φωτοβολταϊκό κύτταρο. Εάν το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μεγάλο, πολλά φωτόνια δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να κάνουν τα ηλεκτρόνια να ανέβουν. Αν το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μικρό, η υπερβολική ενέργεια θα σπαταληθεί. Επομένως, το σωστό ενεργειακό χάσμα επιτρέπει στα φωτοβολταϊκά κύτταρα να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρισμό πιο αποτελεσματικά.

Γιατί Θεωρείται Ακατάλληλο το Ενεργειακό Χάσμα των 1,5 eV;

Όταν τα φωτόνια εξάπτουν ηλεκτρόνια κοντά στο ενεργειακό χάσμα ενός ημιαγωγού, μπορούν να συμβούν τρεις καταστάσεις:

1. Όταν η ενέργεια ενός φωτονίου είναι μικρότερη από την ενέργεια του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια δεν απορροφούν την ενέργεια του φωτονίου και το φως περνάει μέσα από τον ημιαγωγό. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται απώλεια διαφάνειας.
2. Αν η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με την ενέργεια του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια του φωτονίου και μεταπηδούν από το μέγιστο της ζώνης αξίας (VBM) στο ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας (CBM). Το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση PN διαχωρίζει αυτά τα ηλεκτρόνια, μετατρέποντας πλήρως την απορροφημένη ενέργεια του φωτονίου σε ηλεκτρική ενέργεια.
3. Αν η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια του φωτονίου και μεταπηδούν σε θέση υψηλότερη από το ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας (CBM). Η υπερβολική ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται χαλάρωση, γνωστή ως απώλεια θερμοποίησης. Τα ηλεκτρόνια τελικά πέφτουν στο ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας, και το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο τα διαχωρίζει, μετατρέποντας μέρος της ενέργειας του φωτονίου σε ηλεκτρική ενέργεια.

Με βάση την παραπάνω περιγραφή, μπορούμε να καταλήξουμε στα εξής συμπεράσματα:

1. Ένα μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα σημαίνει ότι περισσότερα φωτόνια χαμηλής ενέργειας δεν μπορούν να εξάψουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη αξίας στη ζώνη αγωγιμότητας. Ως αποτέλεσμα, περισσότερα φωτόνια δεν απορροφώνται, οδηγώντας σε μεγαλύτερη απώλεια διαφάνειας. Με απλά λόγια, όσο μεγαλύτερο είναι το ενεργειακό χάσμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια διαφάνειας. Αυτό εκπροσωπείται από τη διακεκομμένη γραμμή στο διάγραμμα από το κάτω αριστερό μέρος προς το πάνω δεξί μέρος.
2. Ένα μικρότερο ενεργειακό χάσμα έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση περισσότερων φωτονίων. Ωστόσο, η υπερβολική ενέργεια αυτών των φωτονίων διασκορπίζεται ως θερμότητα μέσω διαδικασιών χαλάρωσης, αυξάνοντας την απώλεια θερμοποίησης. Με σύντομο τρόπο, όσο μικρότερο είναι το ενεργειακό χάσμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια θερμοποίησης. Αυτό φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή στο διάγραμμα από το πάνω αριστερό μέρος προς το κάτω δεξί μέρος.

Στο τέλος, η πραγματική αποδοτικότητα της μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρισμό, η η, μπορεί να περιγραφεί ως:

η = 1 - Απώλεια διαφάνειας - Απώλεια θερμοποίησης

Η συνεχής γραμμή στο διάγραμμα δείχνει ότι η αποδοτικότητα κορυφώνεται στη μέση και μειώνεται και στα δύο άκρα. Αυτό είναι εύκολο να κατανοηθεί: όταν το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μεγάλο, σχεδόν κανένα φωτόνιο δεν απορροφάται, με αποτέλεσμα σχεδόν μηδενική αποδοτικότητα μετατροπής σε ηλεκτρισμό. Ομοίως, όταν το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μικρό, η περισσότερη ενέργεια του φωτονίου χάνεται ως θερμότητα μετά την απορρόφηση, οδηγώντας επίσης σε σχεδόν μηδενική αποδοτικότητα. Η κορυφαία αποδοτικότητα εμφανίζεται κάπου στη μέση, συνήθως μεταξύ 1.0 eV και 1.5 eV, όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτό το διάγραμμα μπορεί να μην αναπαριστά τις συνθήκες κάτω από το φάσμα AM1.5, όπου ένα ενεργειακό χάσμα γύρω από 1.5 eV

Ενεργειακό Χάσμα Διαφορετικών Υλικών

1. Σιλικόνη
Η σιλικόνη είναι ένα από τα βασικά υλικά για τα τρέχοντα κύρια ηλιακά πάνελ. Έχει πλάτος ενεργειακού χάσματος περίπου 1.1 ηλεκτρονίων βολτ (eV), επιτρέποντάς της να μετατρέπει αποτελεσματικά μια ευρεία γκάμα μήκους κύματος ηλιακού φωτός. Η αποδοτικότητα των ηλιακών πάνελ με βάση τη σιλικόνη έχει επικυρωθεί εκτενώς, με εργαστηριακές δοκιμές να δείχνουν ότι τα μονοκρυσταλλικά ηλιακά πάνελ σιλικόνης επιτυγχάνουν έως και 26.7% αποδοτικότητα μετατροπής, ενώ τα εμπορικά προϊόντα συνήθως φτάνουν γύρω στο 20%. Αυτό το υλικό είναι κατάλληλο για ποικίλες συνθήκες παγκόσμιας ηλιακής ακτινοβολίας, προσφέροντας εξαιρετική σταθερότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής. Δεδομένα υποδεικνύουν ότι τα φωτοβολταϊκά συστήματα που χρησιμοποιούν πάνελ σιλικόνης έχουν γενικά διάρκεια ζωής άνω των 25 ετών.

Από το 2008, η Maysun Solar έχει αφιερωθεί στην παραγωγή υψηλής ποιότητας φωτοβολταϊκών μονάδων σιλικόνης. Η Maysun Solar προσφέρει μια ποικιλία πάνελ TOPCon, IBC, HJT, καθώς και σταθμών ηλιακής ενέργειας μπαλκονιών. Αυτά τα ηλιακά πάνελ διαθέτουν εξαιρετική απόδοση και κομψό σχεδιασμό, ενσωματώνοντας άψογα με οποιοδήποτε κτίριο. Η Maysun Solar έχει καταφέρει να ιδρύσει γραφεία και αποθήκες σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες και έχει μακροχρόνιες συνεργασίες με εξαιρετικούς εγκαταστάτες! Μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας για τις τελευταίες προσφορές μονάδων ή οποιεσδήποτε ερωτήσεις φωτοβολταϊκών. Είμαστε στη διάθεσή σας να σας βοηθήσουμε.

2. Περοβσκίτης

Οι υλικοί περοβσκίτες μπορούν να ρυθμίζουν το ενεργειακό τους χάσμα μέσω χημικής σύνθεσης, προσφέροντας τη δυνατότητα αύξησης της απόδοσης και μείωσης του κόστους παραγωγής. Συνήθως, το ενεργειακό χάσμα των ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη κυμαίνεται από 1,5 έως 2,3 ηλεκτρονικά βολτ (eV), επιτρέποντάς τους να απορροφούν αποτελεσματικά το φάσμα ορατού φωτός του ηλιακού φωτός. Τα τελευταία χρόνια, αυτά τα ηλιακά κύτταρα έχουν δει μια ταχεία αύξηση στην απόδοση, από λιγότερο από 4% το 2009 σε πάνω από 25% σήμερα. Μπορούν να συνδυαστούν με σιλικόνη για να σχηματίσουν ηλιακά κύτταρα tandem, αυξάνοντας τη συνολική αποδοτικότητα και επωφελούμενα από διαδικασίες παραγωγής χαμηλής θερμοκρασίας που μειώνουν σημαντικά το κόστος παραγωγής.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Cambridge επικεντρώνονται σε υλικά περοβσκίτη για ευέλικτους LED και ηλιακά κύτταρα επόμενης γενιάς. Έχουν διαπιστώσει ότι η απλοποίηση της χημικής σύνθεσης μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αποδοτικότητα και να μειώσει το κόστος παραγωγής. Αυτή τη στιγμή, γίνονται προσπάθειες για την επίλυση προβλημάτων σταθερότητας και περιβαλλοντικής ανθεκτικότητας, με στόχο την διευκόλυνση της μεγάλης κλίμακας εμπορικής εφαρμογής.

3. Άλλα Υλικά

Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο ερευνούν προηγμένα υλικά όπως το σελήνιο καδμίου-γαλλίου (CIGS), το γαλλίον νιτρίδιο, το γερμάνιο και το φωσφορικό ίνδιο. Αυτά τα υλικά σχεδιάζονται για να ρυθμίζουν τα όρια του ενεργειακού χάσματος των ηλιακών κυττάρων πολλαπλών συνδέσεων αποτελεσματικά, μετατρέποντας όλο το φάσμα του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρισμό.

Το σελήνιο καδμίου-γαλλίου (CIGS) και παρόμοια υλικά έχουν σχετικά στενό ενεργειακό χάσμα (περίπου 1,0 έως 1,7 ηλεκτρονικά βολτ, eV), επιτρέποντάς τους να αποδίδουν καλά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Τα ηλιακά κύτταρα CIGS διατηρούν υψηλή απόδοση ακόμη και σε συννεφιασμένες ημέρες και σε ασθενές φως, κάνοντάς τα ιδιαίτερα κατάλληλα για συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, σε περιοχές της Ευρώπης όπου η ένταση του ηλιακού φωτός είναι χαμηλότερη καθ' όλη τη διάρκεια του έτους, τα πάνελ ηλιακής ενέργειας CIGS δείχνουν σημαντικά πλεονεκτήματα απόδοσης. Σε εργαστηριακές συνθήκες, τα ηλιακά κύτταρα CIGS έχουν επιτύχει αποδόσεις μετατροπής έως 23,4%, ενώ τα εμπορικά προϊόντα κυμαίνονται συνήθως από 15% έως 18%. Επιπλέον, τα υλικά CIGS είναι ευέλικτα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εύκαμπτων ηλιακών κυττάρων, προσφέροντας περισσότερες επιλογές για φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε κτίρια και φορητές συσκευές.

Βελτιστοποίηση του Ενεργειακού Χάσματος και Πρακτικές Εφαρμογές

Η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος είναι μια βασική τεχνολογία για τη βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων. Με την ακριβή προσαρμογή του ενεργειακού χάσματος των υλικών, μπορούν να επιτευχθούν σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση φωτοβολταϊκής μετατροπής και την ευελιξία εφαρμογής. Στις πρακτικές εφαρμογές, ο αντίκτυπος της βελτιστοποίησης του ενεργειακού χάσματος είναι εμφανής σε διάφορες πτυχές:

1. Βελτίωση της Φωτοβολταϊκής Απόδοσης Μετατροπής:
   Η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος των υλικών επιτρέπει στα ηλιακά κύτταρα να απορροφούν και να μετατρέπουν πιο αποτελεσματικά τα φωτόνια σε όλο το ηλιακό φάσμα. Για παράδειγμα, η χρήση της τεχνολογίας πολυστρωματικών ηλιακών κυττάρων, η οποία τοποθετεί υλικά με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα σε στρώσεις, μεγιστοποιεί την απορρόφηση διαφορετικών μηκών κύματος φωτός, αυξάνοντας έτσι σημαντικά τη συνολική απόδοση. Αυτή η τεχνολογία έχει ήδη επιτύχει αποδόσεις εργαστηριακών δοκιμών που υπερβαίνουν το 40% στα ηλιακά κύτταρα για το διάστημα και στις εφαρμογές υψηλής απόδοσης στην ξηρά.
2. Προσαρμογή σε Διάφορες Περιβαλλοντικές Συνθήκες:
   Υλικά με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα είναι κατάλληλα για διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Υλικά με ευρύτερα ενεργειακά χάσματα, όπως η σιλικόνη, μπορούν να λειτουργούν σταθερά υπό ένα ευρύ φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ υλικά με στενότερα ενεργειακά χάσματα, όπως τα CIGS, αποδίδουν εξαιρετικά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Μέσω της βελτιστοποίησης του ενεργειακού χάσματος, τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να προσαρμόζονται σε διάφορα κλίματα και συνθήκες φωτισμού, ενισχύοντας την εφαρμογή τους παγκοσμίως.
3. Μείωση Κόστους Παραγωγής:
   Η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος όχι μόνο βελτιώνει την απόδοση, αλλά και μειώνει το κόστος παραγωγής μέσω καινοτομιών σε υλικά και διαδικασίες. Για παράδειγμα, τα υλικά περοβσκίτη παρουσιάζουν εξαιρετικές δυνατότητες ρύθμισης του ενεργειακού χάσματος και οικονομικές διαδικασίες κατασκευής, με γρήγορη πρόοδο στην εμπορικοποίηση. Η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος μπορεί να διευκολύνει πιο αποδοτικές διαδικασίες κατασκευής, μειώνοντας το κόστος ανά watt και ενισχύοντας την ανταγωνιστικότητα στην αγορά.
4. Προώθηση της Ανάπτυξης Νέων Φωτοβολταϊκών Υλικών:
   Οι τεχνικές βελτιστοποίησης του ενεργειακού χάσματος προωθούν την ανάπτυξη νέων φωτοβολταϊκών υλικών, όπως οι οργανικοί-ανόργανοι περοβσκίτες και τα υλικά κβαντικών κουκίδων. Αυτά τα νέα υλικά, με ακριβώς ρυθμισμένα ενεργειακά χάσματα, παρουσιάζουν υψηλότερη απόδοση και ευρύτερη εφαρμοστική δυνατότητα. Στο μέλλον, αυτές οι τεχνολογίες αναμένεται να επιτρέψουν καινοτόμες εφαρμογές όπως φορετές φωτοβολταϊκές συσκευές και φωτοβολταϊκά συστήματα ενσωματωμένα σε κτίρια.

Συμπέρασμα

Συμπερασματικά, η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος παίζει καθοριστικό ρόλο στις πρακτικές εφαρμογές, όχι μόνο βελτιώνοντας την απόδοση των ηλιακών κυττάρων αλλά και βελτιώνοντας την προσαρμοστικότητά τους, μειώνοντας τα κόστη και προωθώντας την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών. Με συνεχή πρόοδο στις επιστήμες των υλικών και τις διαδικασίες κατασκευής, η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος θα προωθήσει περαιτέρω τη διαδεδομένη υιοθέτηση και την πρόοδο της τεχνολογίας ηλιακής ενέργειας, θέτοντας τα θεμέλια για το μέλλον της παγκόσμιας ανανεώσιμης ενέργειας.

Αναφορά:

Ηλιακά κύτταρα: Κελιά: Οδηγός θεωρίας και μέτρησης. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory.

Γιατί οι ηλιακές κυψέλες είναι τόσο αναποτελεσματικές; (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 Φεβρουαρίου). Ενεργειακό χάσμα ζώνης των ηλιακών κυψελών. Sinovoltaics (Γραφείο Χονγκ Κονγκ). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Εξηγήσεις: Bandgap. (2010, 23 Ιουλίου 2010). MIT News | Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

Διαβάστε περισσότερα: