Materialien zur Verwendung in einer Solarzelle

Wenn Licht in einem Halbleiter absorbiert wird, entspannen sich die angeregten Elektronen schnell an der Leitungsbandkante. Die zusätzliche Energie des absorbierten Photons im Vergleich zur Bandlücke des Halbleiters geht durch Wärme verloren. Materialien mit einer Bandlücke von 0,4 eV wie PbS werden in Solarzellen nicht verwendet, da der größte Teil des Sonnenspektrums aus Photonen mit einer Energie von mehr als 0,4 eV besteht und daher bei der Absorption dieser Photonen viel Wärmeenergie verloren geht. Sie möchten auch keine zu hohe Bandlücke, da Sie dann keinen Teil des Sonnenspektrums absorbieren. Man kann tatsächlich die optimale Bandlücke für das Sonnenspektrum berechnen und etwa 1,4 eV erhalten, was eine maximale Leistungsumwandlungseffizienz von ~33 % ergibt, die als Schockley- Queisser-Grenze bekannt ist. Beachten Sie, dass die maximal mögliche Effizienz für ein Material mit einer Bandlücke von ~0,4 eV nur 10 % beträgt.

Die kurze Eindringtiefe von hochenergetischem Licht ergibt sich im Wesentlichen daraus, dass die Zustandsdichte von der Bandkante wegwächst. In einem einfachen parabolischen Bandmodell geht die Zustandsdichte beispielsweise wie folgt$\sqrt{E-E_g}$. Mehr Zustände bedeuten mehr Absorption und eine kürzere Eindringtiefe. Diese Tatsache wirkt sich auch auf das Design von Silizium-Solarzellen aus, sehen Sie sich die letzte Demonstration auf dieser Seite an .

Das ist eine CBSE-Klasse$12$Frage aus dem NCERT-Buch Semiconductors, ja?

Ich bin eine Klasse$12$Student gerade jetzt, also lassen Sie mich darauf antworten! Ich werde es ausführlich erklären.

$\mathrm{Si:}$ist das bevorzugte Medium für Solarzellen, weil es$\mathrm{E_g}$Wert ist$1.1 \ eV$, die in der Nähe der maximalen Intensität der Sonnenstrahlung liegt, wobei Photonenenergie =$1.5 \ eV$. Photonen mit$\mathrm{h\nu > 1.1 \ eV}$kann Ladungsträger am Übergang (Verarmungsschicht) erzeugen; daher Photonen mit$\mathrm{h\nu = 1.5 \ eV}$Träger herstellen kann. Da ihre Intensität höher ist, erzeugen sie mehr Ladungsträger im Halbleiter. Daher haben wir eine größere Anzahl von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) gebildet, was wir wollen, weil wir die größtmögliche Leistung erzeugen möchten.$\mathrm{Si}$wird häufig in Solarzellen verwendet.

$\mathrm{GaAs:}$hat ein$\mathrm{E_g}$=$1.53 \ eV$, die nicht viel höher ist als die Energie der Photonen der höchsten Intensität der Sonnenstrahlung ($1.5 \ eV \approx 1.53 \ eV$). Daher ist die Intensität (von$1.53 \ eV$Energiephotonen in der Sonnenstrahlung) ist ebenfalls höher und damit auch die höhere Trägerzahl. Ein weiterer Grund ist, dass der "Absorptionskoeffizient" für höher ist$\mathrm{GaAs}$. Je höher sie ist, desto besser kann die Substanz die Lichtenergie absorbieren – mehr Absorption führt zur Produktion von mehr Ladungsträgern.

$\mathrm{CdS \ or \ CdSe:}$Für Sie,$\mathrm{E_g \approx 2.4 \ eV}$. Photonen dieser Energie im Sonnenstrahlungsspektrum sind von geringer Intensität. Und die Photonen tragen Energie mehr als$\mathrm{E_g}$sind noch weniger intensiv. Die Ladungsträgerproduktion ist also nicht sehr hoch, da die Anzahl verfügbarer Photonen für die Ladungsträgerproduktion in der Sonneneinstrahlung gering ist$\mathrm{CdS \ or \ CdSe}$.

$\mathrm{PbS:}$hat ein$\mathrm{E_g = 0.4 \ eV}$, was viel kleiner ist als die Energie der Photonen mit der höchsten Intensität in der Sonnenstrahlung. Es stehen also eine Reihe von Photonen zur Verfügung (mit$\mathrm{h\nu > 0.4 \ eV}$), die für die Trägerproduktion funktionieren können. Aber die Dichte von$\mathrm{PbS}$ist im Vergleich sehr hoch$\mathrm{Si}$Und$\mathrm{GaAs}$.

Dichten:

$\mathrm{GaAs = 5.3176 \ g/cm^3}$

$\mathrm{Si \ \approx \ 2.3290 \ g/cm^3}$

$\mathrm{PbS = 7.60 \ g/cm^3}$

Wie du sehen kannst,$\mathrm{PbS}$hat die höchste Dichte von diesen. Wenn also Sonnenenergie darauf fällt, erzeugt fast jede Intensität der Sonnenenergie Ladungsträger. Dies geschieht jedoch an der obersten Schicht des Halbleiters aufgrund seiner hohen Dichte. Der größte Teil der Sonnenstrahlung kann die Verarmungsregion nicht erreichen, in der erzeugte Elektron-Loch-Paare ohne Rekombination gefegt werden können. Denken Sie daran, dass oben kein elektrisches Feld vorhanden ist, sodass sich die Paare rekombinieren können.

Das war's. Starten Sie jetzt den Transistor!