Материалы для использования в солнечной батарее

Когда свет поглощается полупроводником, возбужденные электроны быстро релаксируют к краю зоны проводимости. Дополнительная энергия поглощенного фотона по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника теряется на тепло. Материалы с шириной запрещенной зоны 0,4 эВ, такие как PbS, не используются в солнечных элементах, потому что большая часть солнечного спектра состоит из фотонов с энергией более 0,4 эВ, и, следовательно, при поглощении этих фотонов происходит большая потеря тепловой энергии. Вам также не нужна слишком большая ширина запрещенной зоны, потому что тогда вы не будете поглощать часть солнечного спектра. Фактически можно рассчитать оптимальную ширину запрещенной зоны для солнечного спектра и получить около 1,4 эВ, что дает максимальную эффективность преобразования энергии ~ 33%, известную как предел Шокли-Квиссера.. Отметим, что максимально возможная эффективность для материала с шириной запрещенной зоны ~0,4 эВ составляет всего 10 %.

Малая глубина проникновения света высоких энергий в основном возникает из-за того, что плотность состояний растет по мере удаления от края зоны. Например, в простой модели параболической полосы плотность состояний выглядит как$\sqrt{E-E_g}$. Больше состояний означает большее поглощение и меньшую глубину проникновения. Этот факт также влияет на конструкцию кремниевых солнечных элементов, посмотрите последнюю демонстрацию на этой странице .

Это класс CBSE$12$вопрос из книги NCERT, Полупроводники, да?

я класс$12$студент прямо сейчас, так что позвольте мне ответить на него! Я объясню это полностью.

$\mathrm{Si:}$является предпочтительной средой для солнечных батарей, потому что ее$\mathrm{E_g}$значение$1.1 \ eV$, что близко к максимальной интенсивности солнечного излучения, где энергия фотона =$1.5 \ eV$. Фотоны с$\mathrm{h\nu > 1.1 \ eV}$может производить носители на стыке (истощенный слой); поэтому фотоны с$\mathrm{h\nu = 1.5 \ eV}$может производить носителей. Поскольку их интенсивность выше, они будут производить больше носителей в полупроводнике. Следовательно, у нас образуется большее количество носителей (электронов и дырок), что нам нужно, потому что мы хотим производить максимально возможную мощность.$\mathrm{Si}$обычно используется в солнечных батареях.

$\mathrm{GaAs:}$имеет$\mathrm{E_g}$"="$1.53 \ eV$, что ненамного превышает энергию наибольшей интенсивности фотонов солнечного излучения ($1.5 \ eV \approx 1.53 \ eV$). Следовательно, интенсивность ($1.53 \ eV$энергия фотонов в солнечном излучении) также выше, и, следовательно, выше число носителей. Еще одна причина заключается в том, что «Коэффициент поглощения» выше для$\mathrm{GaAs}$. Чем он выше, тем больше способность вещества поглощать световую мощность — большее поглощение приводит к образованию большего количества носителей.

$\mathrm{CdS \ or \ CdSe:}$Для них,$\mathrm{E_g \approx 2.4 \ eV}$. Фотоны этой энергии в спектре солнечного излучения малоинтенсивны. И фотоны, несущие энергию более$\mathrm{E_g}$еще менее интенсивны. Таким образом, производство носителей не очень велико, так как количество доступных фотонов для производства носителей мало в солнечном излучении для$\mathrm{CdS \ or \ CdSe}$.

$\mathrm{PbS:}$имеет$\mathrm{E_g = 0.4 \ eV}$, что намного меньше энергии фотонов наибольшей интенсивности в солнечном излучении. Таким образом, имеется некоторое количество доступных фотонов (имеющих$\mathrm{h\nu > 0.4 \ eV}$), которые могут работать для производства перевозчиков. Но, плотность$\mathrm{PbS}$очень высок по сравнению с$\mathrm{Si}$и$\mathrm{GaAs}$.

Плотность:

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

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

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

Как вы видете,$\mathrm{PbS}$имеет наибольшую плотность среди них. Поэтому, когда на него падает солнечная энергия, почти любая интенсивность солнечной энергии производит носители. Но это происходит на верхнем слое полупроводника из-за его высокой плотности. Большая часть солнечного излучения не может достичь области истощения, где генерируемые электронно-дырочные пары могут быть сметены без рекомбинации. Помните, что наверху нет электрического поля, поэтому пары могут рекомбинировать.

Итак, это все. Теперь запустите транзистор!