Avasta moodul
Edasijõudnute tase
Fotogalvaanilise muundamise kvantmehaanika
Fotogalvaaniline efekt on olemuslikult kvantnähtus. Kui räniaatom neelab footoni, peab selle energia ületama keelutsooni energia (Eg ≈ 1,1 eV kristallilises ränias), et ergastada elektron valentstsoonist juhtivustsooni. Selle protsessi käigus tekib elektroni-augu paar, mille tekkimise tõenäosus sõltub materjali neeldumistegurist ja footoni energiast.
Energiakaod esinevad mitmes etapis:
- Footonid energiaga E < Eg läbivad materjali ilma laengukandjaid tekitamata (ülekandekaod)
- Footonid energiaga E >> Eg tekitavad "kuumi" kandjaid, mis kaotavad liigse energia kiiresti soojusena termaliseerumise kaudu
- Pinnapeegeldus (ilma peegeldusvastase kattekihita kaotatakse ~30% langevast valgusest)
- Rekombinatsioon (elektroni-augu paarid rekombineeruvad enne kontaktideni jõudmist, vabastades energia soojuse või valgusena)
Shockley-Queisseri piir määrab ühe liitega päikesepatarei teoreetilise maksimaalse kasuteguri (~33% standardse päikesespektri AM1.5G korral). Reaalsed ränipõhised elemendid saavutavad 15–22% tänu täiendavatele kadudele takistusest, ebatäiuslikest materjalidest ja mitteideaalsetest liiteomadustest.
Kasutegur, spektraalne vastus ja materjali optimeerimine
Päikesepatarei kasutegur sõltub kriitiliselt sellest, kui hästi pooljuhi keelutsoon sobitub päikesespektriga. Räni 1,1 eV keelutsoon on kompromiss: see neelab tõhusalt nähtavat ja lähiinfrapunast valgust, kuid ei suuda kasutada madalama energiaga infrapunafotoneid ega täielikult ära kasutada kõrge energiaga ultraviolettfotoneid.
Täpsemad strateegiad Shockley-Queisseri piiri ületamiseks:
- Mitmeliitelised (tandem) elemendid: Virnastatakse pooljuhte erinevate keelutsoonidega (nt GaInP/GaAs/Ge), nii et iga kiht neelab kindla osa spektrist. Laboratoorsed kasutegurid ületavad 47% kontsentreeritud päikesevalguse korral.
- Perovskiit-elemendid: Hübriidsed orgaanilis-anorgaanilised materjalid muudetava keelutsooni, kiire laengutranspordi ja lahuses töödeldava valmistusprotsessiga. Praegused kasutegurid lähenevad 26%-le, kuid stabiilsus ja skaleeritavus on endiselt väljakutsed.
- Kuumade kandjate elemendid (eksperimentaalsed): Püüavad energiat kinni enne termaliseerumist, võimaldades teoreetiliselt üle 66% kasuteguri.