Cos'è il Band Gap nelle Celle Solari?

Contenuto

1. Introduzione
2. Cos'è un Band Gap?
3. Perché il Band Gap è Importante?
4. Perché il Band Gap di 1,5 eV è Considerato Ottimale?
5. Band Gap di Diversi Materiali
6. Ottimizzazione del Band Gap e Applicazioni Pratiche
7. Conclusione

Introduzione

Il processo di generazione di elettricità utilizzando pannelli solari dipende principalmente da un passaggio cruciale. Gli elettroni passano dalla banda di valenza (all'interno della giunzione PN del pannello solare) alla banda di conduzione (circuito esterno, come una batteria). Gli elettroni che risiedono nella banda di valenza, senza energia esterna, sono definiti tali. Per produrre elettricità, questi elettroni devono muoversi nel circuito esterno, noto come banda di conduzione.

Gli elettroni non passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione da soli. Deve essere fornita una certa quantità di energia (nota come band gap) per facilitare questa transizione.

Cos'è un Band Gap?

Il band gap è un concetto fondamentale nei materiali semiconduttori, che si riferisce all'energia minima necessaria affinché gli elettroni possano saltare a un livello energetico superiore. Questo è simile ai bambini che necessitano di abbastanza forza per saltare alla casella successiva nel gioco del campana. La dimensione del band gap determina la gamma di lunghezze d'onda dei fotoni che un materiale può assorbire, ed è cruciale per generare corrente nei pannelli solari assorbendo efficacemente i fotoni lungo lo spettro solare. Dimensioni variabili del band gap consentono ai materiali di ottimizzare l'assorbimento di fotoni in regioni di luce ad alta o bassa energia, adattandosi a diverse esigenze ambientali e applicative.

Per i conduttori, non vi è alcun gap tra la banda di conduzione e la banda di valenza, quindi la banda di conduzione è piena di elettroni, rendendo il materiale altamente conduttivo. Al contrario, gli isolanti hanno un ampio gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione, impedendo agli elettroni nella banda di valenza di saltare nella banda di conduzione, il che rende il materiale non conduttivo. I semiconduttori hanno un band gap che si trova tra questi due estremi, solitamente rendendoli non conduttivi. Tuttavia, quando viene aggiunta energia (attraverso luce, calore, ecc.), gli elettroni nella banda di valenza possono spostarsi nella banda di conduzione, permettendo al materiale di condurre elettricità.

Perché il Band Gap è Importante?

Le celle solari funzionano assorbendo energia dalla luce solare, il che fa sì che gli elettroni saltino a livelli energetici più alti, creando una corrente elettrica. Il band gap determina quali particelle energetiche (fotoni) nella luce solare la cella solare può assorbire. Se il band gap è troppo grande, molti fotoni non hanno abbastanza energia per far saltare gli elettroni. Se il band gap è troppo piccolo, l'energia in eccesso verrà sprecata. Pertanto, il band gap corretto consente alle celle solari di convertire la luce solare in elettricità in modo più efficiente.

Perché il Band Gap di 1,5 eV è Considerato Ottimale?

Quando i fotoni eccitano gli elettroni vicino al band gap di un semiconduttore, possono verificarsi tre situazioni:

1. Quando l'energia di un fotone è inferiore all'energia del band gap del semiconduttore, gli elettroni non assorbono l'energia del fotone, e il fotone passa attraverso il semiconduttore. Questo fenomeno è chiamato perdita di trasparenza.
2. Se l'energia del fotone è uguale all'energia del band gap del semiconduttore, gli elettroni assorbono l'energia del fotone e saltano dal massimo della banda di valenza (VBM) al minimo della banda di conduzione (CBM). Il campo elettrico incorporato nella giunzione PN separa questi elettroni, convertendo completamente l'energia del fotone assorbito in energia elettrica.
3. Se l'energia del fotone è superiore all'energia del band gap del semiconduttore, gli elettroni assorbono l'energia del fotone e saltano a una posizione superiore al minimo della banda di conduzione (CBM). L'energia in eccesso viene poi rilasciata come calore attraverso un processo chiamato rilassamento, noto come perdita di termalizzazione. Gli elettroni alla fine cadono al minimo della banda di conduzione, e il campo elettrico incorporato li separa, convertendo parte dell'energia del fotone in energia elettrica.

Sulla base della descrizione sopra, possiamo trarre le seguenti conclusioni:

1. Un band gap più ampio significa che più fotoni a bassa energia non possono eccitare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Di conseguenza, più fotoni non vengono assorbiti, portando a una maggiore perdita di trasparenza. In parole povere, maggiore è il band gap, maggiore è la perdita di trasparenza. Questo è rappresentato dalla linea tratteggiata nel grafico che va dal basso a sinistra all'alto a destra.
2. Un band gap più piccolo risulta in un maggior numero di fotoni assorbiti. Tuttavia, l'energia in eccesso di questi fotoni viene dissipata come calore attraverso processi di rilassamento, aumentando la perdita di termalizzazione. In sintesi, minore è il band gap, maggiore è la perdita di termalizzazione. Questo è mostrato dalla linea tratteggiata nel grafico che va dall'alto a sinistra al basso a destra.

Alla fine, l'efficienza effettiva della conversione della luce solare in elettricità, η, può essere descritta come:

1. Un band gap più ampio significa che più fotoni a bassa energia non possono eccitare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Di conseguenza, più fotoni non vengono assorbiti, portando a una maggiore perdita di trasparenza. In parole povere, maggiore è il band gap, maggiore è la perdita di trasparenza. Questo è rappresentato dalla linea tratteggiata nel grafico che va dal basso a sinistra all'alto a destra.
2. Un band gap più piccolo risulta in un maggior numero di fotoni assorbiti. Tuttavia, l'energia in eccesso di questi fotoni viene dissipata come calore attraverso processi di rilassamento, aumentando la perdita di termalizzazione. In sintesi, minore è il band gap, maggiore è la perdita di termalizzazione. Questo è mostrato dalla linea tratteggiata nel grafico che va dall'alto a sinistra al basso a destra.

Alla fine, l'efficienza effettiva della conversione della luce solare in elettricità, η, può essere descritta come:

η=1−Perdita di trasparenza−Perdita di termalizzazione

La linea continua sul grafico mostra che questa efficienza raggiunge il picco nel mezzo e diminuisce a entrambe le estremità. Questo è facile da comprendere: quando il band gap è troppo grande, quasi nessun fotone viene assorbito, risultando in un'efficienza di conversione elettrica quasi nulla. Allo stesso modo, quando il band gap è troppo piccolo, la maggior parte dell'energia del fotone viene persa come calore dopo essere stata assorbita, portando anch'essa a un'efficienza quasi nulla. L'efficienza massima si verifica da qualche parte nel mezzo, tipicamente tra 1,0 eV e 1,5 eV, come mostrato nel grafico. È importante notare che questo grafico potrebbe non rappresentare le condizioni sotto lo spettro AM1.5, dove un band gap intorno a 1,5 eV è ottimale.

Band Gap di Diversi Materiali

1. Silicio

Il silicio è uno dei materiali chiave per le celle solari attualmente più diffuse. Ha una larghezza di band gap di circa 1,1 elettronvolt (eV), che gli consente di convertire efficacemente una vasta gamma di lunghezze d'onda della luce solare. L'efficienza delle celle solari a base di silicio è stata ampiamente validata, con test di laboratorio che mostrano celle solari in silicio monocristallino che raggiungono fino al 26,7% di efficienza di conversione, mentre i prodotti commerciali tipicamente raggiungono circa il 20%. Questo materiale è ben adatto per diverse condizioni di radiazione solare globali, offrendo eccellente stabilità e lunga durata. I dati indicano che i sistemi fotovoltaici che utilizzano celle solari in silicio hanno generalmente una durata superiore ai 25 anni.

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2. Perovskite

I materiali perovskite possono regolare il loro band gap attraverso la sintesi chimica, offrendo il potenziale per migliorare l'efficienza e ridurre i costi di produzione. Tipicamente, il band gap delle celle solari a perovskite varia da 1,5 a 2,3 elettronvolt (eV), consentendo loro di assorbire efficacemente lo spettro della luce visibile della luce solare. Negli ultimi anni, queste celle solari hanno visto un rapido aumento dell'efficienza, passando da meno del 4% nel 2009 a oltre il 25% oggi. Possono essere combinate con il silicio per formare celle solari tandem, aumentando l'efficienza complessiva e beneficiando di processi di produzione a bassa temperatura che riducono significativamente i costi di produzione.

I ricercatori dell'Università di Cambridge si concentrano sui materiali perovskite per LED flessibili e celle solari di nuova generazione. Hanno scoperto che semplificare la sequenza della composizione chimica può migliorare notevolmente l'efficienza e ridurre i costi di produzione. Attualmente, sono in corso sforzi per affrontare i problemi di stabilità e durata ambientale, con l'obiettivo di facilitare la loro applicazione commerciale su larga scala.

3. Altri Materiali

Scienziati in tutto il mondo stanno studiando materiali avanzati come seleniuro di cadmio e gallio (CIGS), nitruro di gallio, germanio e fosfuro di indio. Questi materiali sono progettati per regolare efficacemente i limiti del band gap delle celle solari multi-giunzione, convertendo l'intero spettro della luce solare in elettricità.

Il seleniuro di cadmio e gallio (CIGS) e materiali simili hanno un band gap relativamente stretto (circa 1,0 a 1,7 elettronvolt, eV), permettendo loro di funzionare bene in condizioni di bassa luminosità. Le celle solari CIGS mantengono un'elevata efficienza anche in giornate nuvolose e in condizioni di luce debole, rendendole particolarmente adatte per condizioni ambientali specifiche. Ad esempio, in alcune parti d'Europa, dove l'intensità della luce solare è inferiore durante l'anno, i pannelli solari CIGS dimostrano significativi vantaggi prestazionali. In condizioni di laboratorio, le celle solari CIGS hanno raggiunto efficienze di conversione fino al 23,4%, mentre i prodotti commerciali solitamente variano dal 15% al 18%. Inoltre, i materiali CIGS sono flessibili e possono essere utilizzati per produrre celle solari pieghevoli, offrendo più opzioni per il fotovoltaico integrato negli edifici e per dispositivi portatili.

Ottimizzazione del Band Gap e Applicazioni Pratiche

L'ottimizzazione del band gap è una tecnologia chiave per migliorare le prestazioni delle celle solari. Regolando con precisione il band gap dei materiali, si possono ottenere miglioramenti significativi nell'efficienza della conversione fotovoltaica e nella versatilità delle applicazioni. Nelle applicazioni pratiche, l'impatto dell'ottimizzazione del band gap è evidente in diversi aspetti:

1. Miglioramento dell'Efficienza di Conversione Fotovoltaica:

L'ottimizzazione del band gap dei materiali consente alle celle solari di assorbire e convertire più efficacemente i fotoni attraverso lo spettro solare. Ad esempio, l'uso della tecnologia delle celle solari multigiunzione, che stratifica materiali con diversi band gap, massimizza l'assorbimento di diverse lunghezze d'onda della luce, aumentando significativamente l'efficienza complessiva. Questa tecnologia ha già raggiunto efficienze di laboratorio superiori al 40% nelle celle solari spaziali e nelle applicazioni terrestri ad alta efficienza.

2. Adattamento a Diverse Condizioni Ambientali:

I materiali con diversi band gap sono adatti per condizioni ambientali variabili. I materiali con band gap più ampi, come il silicio, possono operare stabilmente in un'ampia gamma di condizioni di radiazione solare, mentre materiali con band gap più stretti, come i CIGS, eccellono in condizioni di bassa luminosità. Attraverso l'ottimizzazione del band gap, le celle solari possono essere progettate per adattarsi a vari climi e condizioni di luce, migliorando la loro applicabilità a livello globale.

3. Riduzione dei Costi di Produzione:

L'ottimizzazione del band gap non solo migliora l'efficienza, ma riduce anche i costi di produzione grazie a innovazioni nei materiali e nei processi. Ad esempio, i materiali perovskite mostrano eccellenti capacità di regolazione del band gap e processi di produzione convenienti, con un rapido progresso verso la commercializzazione. L'ottimizzazione del band gap può facilitare processi di produzione più efficienti, riducendo il costo per watt e aumentando la competitività sul mercato.

4. Stimolo allo Sviluppo di Nuovi Materiali Fotovoltaici:

Le tecniche di ottimizzazione del band gap stanno stimolando lo sviluppo di nuovi materiali fotovoltaici, come perovskiti organiche-inorganiche e materiali a punti quantici. Questi nuovi materiali, con band gap regolati con precisione, dimostrano una maggiore efficienza e un potenziale di applicazione più ampio. In futuro, queste tecnologie dovrebbero consentire applicazioni innovative come dispositivi fotovoltaici indossabili e sistemi fotovoltaici integrati negli edifici.

Conclusione

In conclusione, l'ottimizzazione del band gap svolge un ruolo cruciale nelle applicazioni pratiche migliorando non solo l'efficienza delle celle solari, ma anche la loro adattabilità, riducendo i costi e guidando lo sviluppo di nuove tecnologie. Con i continui progressi nella scienza dei materiali e nei processi di produzione, l'ottimizzazione del band gap favorirà ulteriormente l'adozione diffusa e l'avanzamento della tecnologia dell'energia solare, ponendo le basi per il futuro delle energie rinnovabili globali.

Riferimento:

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

Perché le celle solari sono così inefficienti? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 febbraio). Band Gap energetico delle celle solari. Sinovoltaics (Ufficio di Hong Kong). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

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

Per saperne di più: