Was ist die Energiebandlücke von Solarzellen?

Inhalt

1. Einführung
2. Was ist eine Bandlücke?
3. Warum ist die Bandlücke wichtig?
4. Warum wird eine Bandlücke von 1,5 eV als optimal angesehen?
5. Bandlücke verschiedener Materialien
6. Optimierung der Bandlücke und praktische Anwendungen
7. Fazit

Einführung

Der Prozess der Stromerzeugung mittels Solarzellen basiert hauptsächlich auf einem entscheidenden Schritt. Elektronen wechseln vom Valenzband (innerhalb der PN-Schicht der Solarzelle) in das Leitungsband (äußeren Stromkreis, wie eine Batterie). Elektronen, die sich im Valenzband ohne externe Energie befinden, werden als solche bezeichnet. Um Strom zu erzeugen, müssen diese Elektronen in den äußeren Stromkreis, bekannt als Leitungsband, übertreten.

Elektronen wechseln nicht von selbst vom Valenzband in das Leitungsband. Eine bestimmte Energiemenge (als Bandlücke bezeichnet) muss bereitgestellt werden, um diesen Übergang zu ermöglichen.

Was ist eine Bandlücke?

Die Bandlücke ist ein entscheidendes Konzept in Halbleitermaterialien und bezieht sich auf die Mindestmenge an Energie, die erforderlich ist, damit Elektronen auf ein höheres Energieniveau springen können. Dies ist vergleichbar damit, dass Kinder genug Kraft benötigen, um im Himmelspiel zum nächsten Feld zu hüpfen. Die Größe der Bandlücke bestimmt den Bereich der Photonwellenlängen, die ein Material absorbieren kann, was entscheidend für die Erzeugung von Strom in Solarzellen ist, da sie Photonen über das gesamte Solarspektrum effizient absorbieren. Unterschiedliche Bandlückengrößen ermöglichen es Materialien, die Photonabsorption in hoch- oder niedrigenergetischen Lichtbereichen zu optimieren und sich an verschiedene Umwelt- und Anwendungsbedürfnisse anzupassen.

Bei Leitern gibt es keine Lücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband, sodass das Leitungsband mit Elektronen gefüllt ist, was das Material hochleitfähig macht. Im Gegensatz dazu haben Isolatoren eine große Lücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, was verhindert, dass Elektronen im Valenzband in das Leitungsband springen, wodurch das Material nicht leitfähig ist. Halbleiter haben eine Bandlücke, die zwischen diesen beiden Extremen liegt und sie normalerweise nicht leitfähig macht. Wenn jedoch Energie hinzugefügt wird (durch Licht, Wärme usw.), können Elektronen im Valenzband in das Leitungsband übertreten, was es dem Material ermöglicht, Strom zu leiten.

Warum ist die Bandlücke wichtig?

Solarzellen funktionieren, indem sie Energie aus Sonnenlicht absorbieren, wodurch Elektronen auf höhere Energieniveaus springen und einen elektrischen Strom erzeugen. Die Bandlücke bestimmt, welche Energiepartikel (Photonen) im Sonnenlicht die Solarzelle absorbieren kann. Wenn die Bandlücke zu groß ist, haben viele Photonen nicht genügend Energie, um die Elektronen springen zu lassen. Ist die Bandlücke zu klein, wird überschüssige Energie verschwendet. Daher ermöglicht die richtige Bandlücke den Solarzellen, Sonnenlicht effizienter in Strom umzuwandeln.

Warum wird eine Bandlücke von 1,5 eV als optimal angesehen?

Wenn Photonen Elektronen in der Nähe der Bandlücke eines Halbleiters anregen, können drei Situationen auftreten:

1. Wenn die Energie eines Photons kleiner ist als die Bandlückenenergie des Halbleiters, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons nicht, und das Photon durchdringt den Halbleiter. Dies wird als Transparenzverlust bezeichnet.
2. Wenn die Energie des Photons gleich der Bandlückenenergie des Halbleiters ist, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons und springen vom Valenzbandmaximum (VBM) zum Leitungsbandminimum (CBM). Das eingebaute elektrische Feld in der PN-Übergang trennt diese Elektronen und wandelt die absorbierte Energie des Photons vollständig in elektrische Energie um.
3. Wenn die Energie des Photons größer ist als die Bandlückenenergie des Halbleiters, absorbieren die Elektronen die Energie des Photons und springen auf eine Position höher als das Leitungsbandminimum (CBM). Die überschüssige Energie wird dann als Wärme durch einen Prozess namens Relaxation freigesetzt, was als Thermalisationverlust bekannt ist. Die Elektronen fallen schließlich auf das Leitungsbandminimum zurück, und das eingebaute elektrische Feld trennt sie, wodurch ein Teil der Photonenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Basierend auf der obigen Beschreibung können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Eine größere Bandlücke bedeutet, dass mehr Photonen mit niedriger Energie die Elektronen nicht vom Valenzband in das Leitungsband anregen können. Daher werden mehr Photonen nicht absorbiert, was zu einem höheren Transparenzverlust führt. Einfach gesagt: Je größer die Bandlücke, desto größer der Transparenzverlust. Dies wird durch die gestrichelte Linie im Diagramm von unten links nach oben rechts dargestellt.
2. Eine kleinere Bandlücke führt dazu, dass mehr Photonen absorbiert werden. Die überschüssige Energie dieser Photonen wird jedoch als Wärme durch Relaxationsprozesse dissipiert, was den Thermalisationverlust erhöht. Kurz gesagt: Je kleiner die Bandlücke, desto größer der Thermalisationverlust. Dies wird durch die gestrichelte Linie im Diagramm von oben links nach unten rechts dargestellt.

Am Ende kann die tatsächliche Effizienz der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, η, wie folgt beschrieben werden:

η = 1 - Transparenzverlust - Thermalisationverlust

Die durchgezogene Linie im Diagramm zeigt, dass die Effizienz in der Mitte einen Höhepunkt erreicht und an beiden Enden abfällt. Das ist leicht nachvollziehbar: Wenn die Bandlücke zu groß ist, werden fast keine Photonen absorbiert, was zu einer fast Null-Effizienz bei der Stromumwandlung führt. Ebenso wird, wenn die Bandlücke zu klein ist, die meiste Photonenenergie nach der Absorption als Wärme verloren, was ebenfalls zu nahezu null Effizienz führt. Die höchste Effizienz tritt irgendwo in der Mitte auf, typischerweise zwischen 1,0 eV und 1,5 eV, wie im Diagramm gezeigt. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Diagramm möglicherweise nicht die Bedingungen unter dem AM1.5-Spektrum widerspiegelt, wo eine Bandlücke um 1,5 eV optimal sein könnte.

Bandlücke verschiedener Materialien

1. Silizium

Silizium ist eines der Schlüsselmaterien für aktuelle Solarzellen. Es hat eine Bandlücke von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV), was es ermöglicht, eine breite Palette von Sonnenlichtwellenlängen effektiv umzuwandeln. Die Effizienz von auf Silizium basierenden Solarzellen wurde umfassend validiert, wobei Labortests gezeigt haben, dass monokristalline Silizium-Solarzellen eine Umwandlungseffizienz von bis zu 26,7 % erreichen, während kommerzielle Produkte typischerweise etwa 20 % erreichen. Dieses Material ist gut für unterschiedliche globale Solareinstrahlungsbedingungen geeignet und bietet ausgezeichnete Stabilität und eine lange Lebensdauer. Daten zeigen, dass photovoltaische Systeme mit Silizium-Solarzellen allgemein eine Lebensdauer von über 25 Jahren haben.

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2. Perowskit

Perowskitmaterialien können ihre Bandlücke durch chemische Synthese anpassen, was das Potenzial bietet, die Effizienz zu steigern und die Herstellungskosten zu senken. Typischerweise liegt die Bandlücke von Perowskit-Solarzellen im Bereich von 1,5 bis 2,3 Elektronenvolt (eV), was es ihnen ermöglicht, das sichtbare Lichtspektrum des Sonnenlichts effizient zu absorbieren. In den letzten Jahren haben diese Solarzellen einen raschen Anstieg der Effizienz erlebt, von weniger als 4 % im Jahr 2009 auf über 25 % heute. Sie können mit Silizium kombiniert werden, um Tandem-Solarzellen zu bilden, was die Gesamteffizienz steigert und von den Niedertemperatur-Herstellungsprozessen profitiert, die die Produktionskosten erheblich senken.

Forscher der University of Cambridge konzentrieren sich auf Perowskitmaterialien für flexible LEDs und Solarzellen der nächsten Generation. Sie haben festgestellt, dass eine Vereinfachung der chemischen Zusammensetzungssequenz die Effizienz erheblich steigern und die Produktionskosten senken kann. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um Stabilitäts- und Umweltbeständigkeitsprobleme anzugehen, um ihre großflächige kommerzielle Anwendung zu ermöglichen.

3. Andere Materialien

Wissenschaftler weltweit erforschen fortschrittliche Materialien wie Cadmiumgalliumselenid (CIGS), Gallium-Nitrid, Germanium und Indiumphosphid. Diese Materialien sind darauf ausgelegt, die Bandlücken-Grenzen von Mehrfach-Junction-Solarzellen effektiv anzupassen und das gesamte Spektrum des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln.

Cadmiumgalliumselenid (CIGS) und ähnliche Materialien haben eine relativ schmale Bandlücke (ungefähr 1,0 bis 1,7 Elektronenvolt, eV), was ihnen ermöglicht, unter schwachen Lichtbedingungen gut zu funktionieren. CIGS-Solarzellen halten auch an bewölkten Tagen und bei schwachem Licht eine hohe Effizienz aufrecht, was sie besonders geeignet für spezifische Umweltbedingungen macht. Beispielsweise zeigen CIGS-Solarpaneele in Teilen Europas, wo die Sonneneinstrahlung im Laufe des Jahres geringer ist, erhebliche Leistungsvorteile. Unter Laborbedingungen haben CIGS-Solarzellen Umwandlungseffizienzen von bis zu 23,4 % erreicht, während kommerzielle Produkte typischerweise im Bereich von 15 % bis 18 % liegen. Darüber hinaus sind CIGS-Materialien flexibel und können zur Herstellung von biegsamen Solarzellen verwendet werden, was mehr Optionen für gebäudeintegrierte Photovoltaik und tragbare Geräte bietet.

Bandlückenoptimierung und praktische Anwendungen

Die Optimierung der Bandlücke ist eine Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen. Durch präzise Anpassung der Bandlücke von Materialien können signifikante Verbesserungen in der photovoltaischen Umwandlungseffizienz und Anwendungsvielfalt erzielt werden. In praktischen Anwendungen zeigt sich der Einfluss der Bandlückenoptimierung in mehreren Aspekten:

1. Verbesserung der photovoltaischen Umwandlungseffizienz:Die Optimierung der Bandlücke von Materialien ermöglicht es Solarzellen, Photonen über das gesamte Sonnenspektrum effektiver zu absorbieren und umzuwandeln. Zum Beispiel nutzt die Mehrfach-Junction-Solarzellen-Technologie verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken, um verschiedene Wellenlängen des Lichts maximal zu absorbieren, was die Gesamteffizienz erheblich steigert. Diese Technologie hat bereits Laboreffizienzen von über 40 % in Raumfahrt-Solarzellen und Hochleistungs-Anwendungen auf der Erde erreicht.
2. Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen:Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken sind für verschiedene Umweltbedingungen geeignet. Materialien mit größeren Bandlücken, wie Silizium, können unter einer breiten Palette von Sonneneinstrahlungsbedingungen stabil arbeiten, während Materialien mit engerer Bandlücke, wie CIGS, unter schwachem Licht hervorragend abschneiden. Durch Bandlückenoptimierung können Solarzellen so gestaltet werden, dass sie sich an verschiedene Klimabedingungen und Lichtverhältnisse anpassen, was ihre globale Anwendbarkeit verbessert.
3. Reduzierung der Herstellungskosten:Die Bandlückenoptimierung verbessert nicht nur die Effizienz, sondern senkt auch die Produktionskosten durch Material- und Prozessinnovationen. Beispielsweise zeigen Perowskitmaterialien hervorragende Fähigkeiten zur Bandlückenanpassung und kostengünstige Herstellungsprozesse mit schnellen Fortschritten in der Kommerzialisierung. Die Optimierung der Bandlücke kann effizientere Herstellungsprozesse ermöglichen, die Kosten pro Watt senken und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt erhöhen.
4. Förderung der Entwicklung neuer photovoltaischer Materialien:Techniken zur Bandlückenoptimierung treiben die Entwicklung neuer photovoltaischer Materialien wie organisch-anorganische Halbleiterperowskite und Quantenpunktmaterialien voran. Diese neuen Materialien mit präzise eingestellter Bandlücke zeigen höhere Effizienz und breitere Anwendungspotenziale. In Zukunft werden diese Technologien voraussichtlich innovative Anwendungen wie tragbare photovoltaische Geräte und gebäudeintegrierte photovoltaische Systeme ermöglichen.

Fazit

Zusammenfassend spielt die Bandlückenoptimierung eine entscheidende Rolle in praktischen Anwendungen, indem sie nicht nur die Effizienz von Solarzellen verbessert, sondern auch deren Anpassungsfähigkeit erhöht, die Kosten senkt und die Entwicklung neuer Technologien vorantreibt. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Materialwissenschaft und den Herstellungsprozessen wird die Bandlückenoptimierung die weitverbreitete Einführung und Weiterentwicklung der Solarenergie-Technologie weiter vorantreiben und die Grundlage für die Zukunft der globalen erneuerbaren Energie legen.

Referenz:

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

Warum sind Solarzellen so ineffizient? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22. Februar). Energiebandlücke von Solarzellen. Sinovoltaics (Büro Hongkong). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

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