Obsah
- Úvod
- Čo je to Pásmový Rozsah?
- Prečo je Pásmový Rozsah Dôležitý?
- Prečo je Pásmový Rozsah 1,5 eV Považovaný za Optimálny?
- Pásmový Rozsah Rôznych Materiálov
- Optimalizácia Pásmového Rozsahu a Praktické Aplikácie
- Záver
Úvod
Proces generovania elektriny pomocou solárnych panelov závisí predovšetkým od kľúčového kroku. Elektróny prechádzajú z valenčného pásma (v rámci PN prechodu solárneho panelu) do vodivého pásma (externý obvod, ako napríklad batéria). Elektróny, ktoré sa nachádzajú vo valenčnom pásme bez externého dodania energie, sú takto označené. Aby sa mohla vyrábať elektrina, tieto elektróny musia prejsť do externého obvodu, známeho ako vodivé pásmo.
Elektróny neprechádzajú z valenčného pásma do vodivého pásma samy od seba. Je potrebné poskytnúť určitú dávku energie (označovanú ako pásmový rozsah), aby sa uľahčil tento prechod.
Čo je to Pásmový Rozsah?
Pásmový rozsah je kľúčový pojem v polovodičových materiáloch, ktorý sa vzťahuje na minimálnu energiu potrebnú na to, aby elektróny prešli na vyššiu energetickú úroveň. Je to podobné ako deti, ktoré potrebujú dostatočnú silu, aby preskočili na ďalšie políčko v hre skákacieho panáka. Veľkosť pásmového rozsahu určuje rozsah vlnových dĺžok fotónov, ktoré môže materiál absorbovať. To je zásadné pre generovanie prúdu v solárnych paneloch, pretože efektívne absorbuje fotóny naprieč solárnym spektrom. Rôzne veľkosti pásmových rozsahov umožňujú materiálom optimalizovať absorpciu fotónov v oblastiach vysokého alebo nízkoenergetického svetla, čo im umožňuje prispôsobiť sa rôznorodým prostrediam a aplikáciám.
U vodičov neexistuje medzera medzi vodivým pásmom a valenčným pásmom, takže vodivé pásmo je naplnené elektrónmi, čo robí materiál veľmi vodivým. Naopak, izolátory majú veľkú medzeru medzi valenčným a vodivým pásmom, čo bráni elektrónom vo valenčnom pásme preskočiť do vodivého pásma, čo spôsobuje, že materiál nie je vodivý. Polovodiče majú pásmový rozsah, ktorý je medzi týmito dvoma extrémami, čo zvyčajne robí z nich nevodivé materiály. Avšak, keď sa pridá energia (cez svetlo, teplo atď.), elektróny vo valenčnom pásme sa môžu presunúť do vodivého pásma, čo umožňuje materiálu viesť elektrický prúd.
Prečo je Pásmový Rozsah Dôležitý?
Solárne články pracujú tak, že absorbujú energiu zo slnečného svetla, čo spôsobuje, že elektróny preskočia na vyššie energetické úrovne, čím sa vytvára elektrický prúd. Pásmový rozsah určuje, ktoré energetické častice (fotóny) v slnečnom svetle môže solárny článok absorbovať. Ak je pásmový rozsah príliš veľký, mnoho fotónov nemá dostatok energie na to, aby elektróny preskočili. Ak je pásmový rozsah príliš malý, nadbytočná energia sa stratí. Preto správny pásmový rozsah umožňuje solárnym článkom efektívnejšie premieňať slnečné svetlo na elektrickú energiu.
Prečo je Pásmový Rozsah 1,5 eV Považovaný za Optimálny?
Keď fotóny excitujú elektróny v blízkosti pásmového rozsahu polovodiča, môžu nastať tri situácie:
- Keď je energia fotónu menšia ako energetická medzera pásmového rozsahu polovodiča, elektróny neabsorbujú energiu fotónu a fotón prechádza cez polovodič. Tento jav sa nazýva strata transparentnosti.
- Ak je energia fotónu rovnaká ako energetická medzera pásmového rozsahu polovodiča, elektróny absorbujú energiu fotónu a prechádzajú z maxima valenčného pásma (VBM) do minima vodivého pásma (CBM). Zabudované elektrické pole v PN prechode tieto elektróny oddelí, čím sa úplne premieňa energia absorbovaného fotónu na elektrickú energiu.
- Ak je energia fotónu väčšia ako energetická medzera pásmového rozsahu polovodiča, elektróny absorbujú energiu fotónu a prechádzajú na pozíciu vyššiu ako minimum vodivého pásma (CBM). Nadbytočná energia je potom uvoľnená vo forme tepla cez proces nazývaný relaxačný proces, ktorý je známy ako strata tepelného vyrovnávania. Elektróny nakoniec klesajú na minimum vodivého pásma a zabudované elektrické pole ich oddelí, čím sa časť energie fotónu premieňa na elektrickú energiu.
Na základe vyššie uvedeného popisu môžeme vyvodiť nasledujúce závery:
- Väčšia energetická medzera znamená, že viac nízkoenergetických fotónov nedokáže excitovať elektróny z valenčného pásma do vodivého pásma. Preto sa absorbuje menej fotónov, čo vedie k väčším stratám transparentnosti. Jednoducho povedané, čím väčšia je energetická medzera, tým väčšie sú straty transparentnosti. Toto je znázornené prerušovanou čiarou na grafe od ľavého dolného rohu k pravému hornému rohu.
- Menšia energetická medzera znamená, že sa absorbuje viac fotónov. Avšak nadbytočná energia z týchto fotónov je rozptýlená ako teplo cez relaxačné procesy, čo zvyšuje straty tepelného vyrovnávania. Skrátka, čím menšia je energetická medzera, tým väčšie sú straty tepelného vyrovnávania. Toto je znázornené prerušovanou čiarou na grafe od ľavého horného rohu k pravému dolnému rohu.
Na konci môžeme skutočnú účinnosť premeny slnečného svetla na elektrinu, η, opísať nasledovne:
η = 1 - Straty transparentnosti - Straty tepelného vyrovnávania
Pevná čiara na grafe ukazuje, že táto účinnosť dosahuje vrchol v strede a klesá na oboch koncoch. To je ľahko pochopiteľné: keď je energetická medzera príliš veľká, takmer žiadne fotóny sa neabsorbujú, čo vedie k takmer nulovej účinnosti premeny elektriny. Podobne, keď je energetická medzera príliš malá, väčšina energie fotónov sa stratí ako teplo po absorbovaní, čo tiež vedie k takmer nulovej účinnosti. Vrchol účinnosti nastáva niekde v strede, zvyčajne medzi 1,0 eV a 1,5 eV, ako je znázornené na grafe. Je dôležité poznamenať, že tento graf nemusí reprezentovať podmienky pod spektrom AM1.5, kde je energetická medzera okolo 1,5 eV
Pásmová Šírka Rôznych Materiálov
1.Kremík
Kremík je jedným z kľúčových materiálov pre súčasné hlavné solárne články. Má pásmovú šírku o približne 1,1 elektronvoltu (eV), čo mu umožňuje efektívne premieňať široké spektrum vlnových dĺžok slnečného svetla. Účinnosť kremíkových solárnych článkov bola rozsiahlo overená, pričom laboratórne testy ukazujú, že monokryštalické kremíkové solárne články dosahujú až 26,7% účinnosť premeny, zatiaľ čo komerčné produkty zvyčajne dosahujú približne 20%. Tento materiál je dobre prispôsobený pre rôzne globálne podmienky slnečného žiarenia, ponúka vynikajúcu stabilitu a dlhú životnosť. Údaje naznačujú, že fotovoltaické systémy využívajúce kremíkové solárne články majú životnosť presahujúcu 25 rokov.
Od roku 2008 sa spoločnosť Maysun Solar venuje výrobe vysokokvalitných kremíkových fotovoltaických modulov. Maysun Solar ponúka širokú škálu solárnych panelov TOPCon, IBC, HJT, ako aj solárne elektrárne pre balkóny. Tieto solárne panely sa vyznačujú vynikajúcim výkonom a štýlovým dizajnom, ktoré sa bezproblémovo integrujú do akéhokoľvek typu budovy. Maysun Solar úspešne založil kancelárie a sklady v mnohých európskych krajinách a má dlhodobé partnerstvá s výbornými inštalatérmi! Neváhajte nás kontaktovať pre najnovšie cenové ponuky modulov alebo akékoľvek otázky týkajúce sa fotovoltaiky. Radi vám pomôžeme.
2. Perovskit
Materiály perovskitov môžu prispôsobiť svoju energetickú medzeru pomocou chemickej syntézy, čo ponúka potenciál na zvýšenie účinnosti a zníženie nákladov na výrobu. Typicky sa energetická medzera perovskitových solárnych článkov pohybuje od 1,5 do 2,3 elektronvoltov (eV), čo im umožňuje efektívne absorbovať viditeľné svetlo slnečného žiarenia. V posledných rokoch tieto solárne články zaznamenali rýchly nárast účinnosti, ktorá vzrástla z menej než 4% v roku 2009 na viac ako 25% dnes. Môžu byť kombinované s kremíkom na vytvorenie tandemových solárnych článkov, čo zvyšuje celkovú účinnosť a využíva procesy výroby pri nízkych teplotách, ktoré významne znižujú výrobné náklady.
Výskumníci na Univerzite v Cambridge sa zameriavajú na materiály perovskitov pre flexibilné LED a solárne články novej generácie. Zistili, že zjednodušenie sekvencie chemického zloženia môže výrazne zvýšiť účinnosť a znížiť náklady na výrobu. V súčasnosti prebiehajú úsilie na riešenie problémov stability a environmentálnej odolnosti s cieľom uľahčiť ich rozsiahle komerčné využitie.
3. Iné Materiály
Vedci po celom svete skúmajú pokročilé materiály ako kadmium-galium-selenid (CIGS), galium nitrid, germánium a indium fosfid. Tieto materiály sú navrhnuté na efektívne prispôsobenie energetických medzier viacerých jadranových solárnych článkov, pričom konvertujú celé spektrum slnečného svetla na elektrinu.
Kadmium-galium-selenid (CIGS) a podobné materiály majú relatívne úzku energetickú medzeru (približne 1,0 až 1,7 elektronvoltov, eV), čo im umožňuje dobre fungovať pri nízkych svetelných podmienkach. Solárne články CIGS udržiavajú vysokú účinnosť aj počas zamračených dní a pri slabom svetle, čo ich robí obzvlášť vhodnými pre konkrétne environmentálne podmienky. Napríklad v častiach Európy, kde je intenzita slnečného svetla počas roka nižšia, solárne panely CIGS vykazujú významné výhody v oblasti výkonu. V laboratórnych podmienkach dosiahli solárne články CIGS účinnosť konverzie až 23,4%, pričom komerčné produkty sa zvyčajne pohybujú medzi 15% a 18%. Okrem toho sú materiály CIGS flexibilné a môžu byť použité na výrobu ohybných solárnych článkov, čo ponúka viac možností pre fotovoltaiku integrovanú do budov a prenosné zariadenia.
Optimalizácia Energetickej Medzery a Praktické Aplikácie
Optimalizácia energetickej medzery je kľúčovou technológiou na zlepšenie výkonu solárnych článkov. Presné prispôsobenie energetickej medzery materiálov umožňuje dosiahnuť významné zlepšenia v účinnosti fotovoltaickej konverzie a všestrannosti aplikácií. V praktických aplikáciách je dopad optimalizácie energetickej medzery zrejmý v niekoľkých aspektoch:
- Zlepšenie Fotovoltaickej Konverznej Účinnosti:Optimalizácia energetickej medzery materiálov umožňuje solárnym článkom efektívnejšie absorbovať a konvertovať fotóny v celom solárnom spektre. Napríklad využitie technológie multi-junction solárnych článkov, ktorá vrstvy materiály s rôznymi energetickými medzerami, maximalizuje absorpciu rôznych vĺn svetla, čím výrazne zvyšuje celkovú účinnosť. Táto technológia už dosiahla v laboratórnych podmienkach účinnosti presahujúce 40% v kozmonautických solárnych článkoch a vysoko účinných pozemských aplikáciách.
- Prispôsobenie Rôznym Environmentálnym Podmienkam:Materiály s rôznymi energetickými medzerami sú vhodné pre rôzne environmentálne podmienky. Materiály s širšími energetickými medzerami, ako je kremík, môžu stabilne fungovať v širokom rozsahu slnečného žiarenia, zatiaľ čo materiály s užšími energetickými medzerami, ako CIGS, vynikajú pri nízkom svetle. Prostredníctvom optimalizácie energetickej medzery môžu byť solárne články navrhnuté tak, aby sa prispôsobili rôznym klimatickým a svetelným podmienkam, čím sa zvyšuje ich celosvetová aplikovateľnosť.
- Zníženie Výrobných Nákladov:Optimalizácia energetickej medzery nielen zlepšuje účinnosť, ale tiež znižuje výrobné náklady prostredníctvom inovácií materiálov a procesov. Napríklad perovskitové materiály vykazujú vynikajúce schopnosti ladania energetickej medzery a nákladovo efektívne výrobné procesy, s rýchlym pokrokom v komercializácii. Optimalizácia energetickej medzery môže uľahčiť efektívnejšie výrobné procesy, znižovať náklady na watt a zvyšovať konkurenčnosť na trhu.
- Podpora Vývoja Nových Fotovoltaických Materiálov:Techniky optimalizácie energetickej medzery poháňajú vývoj nových fotovoltaických materiálov, ako sú organicko-anorganické halidové perovskity a kvantové bodové materiály. Tieto nové materiály, s presne vyladenými energetickými medzerami, vykazujú vyššiu účinnosť a širší aplikačný potenciál. V budúcnosti sa očakáva, že tieto technológie umožnia inovatívne aplikácie ako nositeľné fotovoltaické zariadenia a fotovoltaické systémy integrované do budov.
Záver
Na záver, optimalizácia energetickej medzery zohráva kľúčovú úlohu v praktických aplikáciách tým, že nielen zlepšuje účinnosť solárnych článkov, ale aj zlepšuje ich prispôsobivosť, znižuje náklady a podporuje vývoj nových technológií. S pokračujúcimi pokrokmi v materiálovej vede a výrobných procesoch, optimalizácia energetickej medzery ďalej posunie rozšírené prijatie a pokrok technológie solárnej energie, čím položí základy pre budúcnosť globálnej obnoviteľnej energie.
Odkaz:
Solárne články: A Guide to Theory and Measurement. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory
Prečo sú solárne články také neúčinné? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023
Nicolas: "Vieme, ako sa dá využiť slnečné žiarenie v solárnych článkoch. (2024, 22. februára). Energetická medzera v pásme solárnych článkov. Sinovoltaics (kancelária v Hongkongu). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/
Vysvetlené: "Vymenujte si, čo chcete, aby sa vám podarilo dosiahnuť. Pásmová medzera. (2010, 23. júla). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723
Viac informácií: