Εύρος ζώνης απορρόφησης φωτός ηλιακού πάνελ
Τα ηλιακά πάνελ έχουν γίνει όλο και πιο δημοφιλή τα τελευταία χρόνια. Είναι μια οικονομικά αποδοτική, φιλική προς το περιβάλλον και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Τα ηλιακά πάνελ μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας ένα ειδικό υλικό που ονομάζεται ηλιακή κυψέλη. Το ηλιακό στοιχείο είναι κατασκευασμένο από διαφορετικά υλικά που μπορούν να απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός.
Απορρόφηση φωτός σε ηλιακά κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου
Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ένα υλικό ηλιακών κυψελών υψηλής απόδοσης. Έχει υψηλό επίπεδο καθαρότητας και ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή, που επιτρέπει την καλύτερη κινητικότητα των ηλεκτρονίων. Οι ηλιακές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν τυπικά εύρος απορρόφησης φωτός 300 – 1100 nm, με τη ζώνη αιχμής απορρόφησης να βρίσκεται περίπου στα 780 nm. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να απορροφήσουν το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος του ορατού φωτός, καθώς και μέρος του εγγύς υπέρυθρου φωτός.
Ωστόσο, υπάρχει μια αισθητή πτώση στην απόδοση απορρόφησης πέρα από τα 1100 nm. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ένα έμμεσο υλικό με διάκενο ζώνης. Τα υλικά έμμεσου διακένου ζώνης έχουν υψηλότερο ενεργειακό κατώφλι για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Αυτό σημαίνει ότι τα φωτόνια με χαμηλότερη ενέργεια δεν μπορούν να απορροφηθούν αποτελεσματικά από το υλικό. Επομένως, τα ηλιακά κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου δεν είναι σε θέση να απορροφήσουν σημαντική ποσότητα φωτός μεγαλύτερου μήκους κύματος (χαμηλότερης ενέργειας).
Απορρόφηση φωτός σε ηλιακά κύτταρα πυριτίου λεπτής μεμβράνης
Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου λεπτής μεμβράνης είναι κατασκευασμένα από πολλαπλά στρώματα πυριτίου με ποικίλα πάχη και πρόσμιξη. Η κατασκευή τους είναι συνήθως λιγότερο δαπανηρή από τα ηλιακά κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το εύρος απορρόφησης φωτός των ηλιακών κυψελών πυριτίου λεπτής μεμβράνης είναι διαφορετικό από αυτό των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το πυρίτιο λεπτής μεμβράνης απορροφά το φως σε ένα ευρύτερο φάσμα μηκών κύματος, συγκεκριμένα στην περιοχή 400 – 800 nm. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να απορροφήσουν το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος του ορατού φωτός, αλλά όχι τόσο από το εγγύς υπέρυθρο φως όσο το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο.
Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου λεπτής μεμβράνης μπορούν περαιτέρω να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις τύπους: άμορφο πυρίτιο (a-Si), μικροκρυσταλλικό πυρίτιο (μc-Si) και νανο-κρυσταλλικό πυρίτιο (nc-Si). Κάθε τύπος έχει διαφορετικό διάκενο ζώνης και εύρος απορρόφησης. Το άμορφο πυρίτιο έχει διάκενο ζώνης περίπου 1,7 eV και μπορεί να απορροφήσει φως στην περιοχή από 300 – 800 nm. Το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο έχει διάκενο ζώνης περίπου 1,3 eV και μπορεί να απορροφήσει φως στην περιοχή από 400 – 700 nm. Το νανο-κρυσταλλικό πυρίτιο έχει διάκενο ζώνης περίπου 2,0 – 2,2 eV και μπορεί να απορροφήσει φως στην περιοχή από 300 – 600 nm.
Συμπερασματικά, οι ηλιακές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν μια ζώνη απορρόφησης αιχμής που βρίσκεται περίπου στα 780 nm και μπορούν να απορροφήσουν το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος του ορατού φωτός καθώς και μέρος του εγγύς υπέρυθρου φωτός. Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου λεπτής μεμβράνης, από την άλλη πλευρά, έχουν ευρύτερο εύρος απορρόφησης από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, αλλά όχι τόσο πολύ κοντά στο υπέρυθρο φως. Το συγκεκριμένο εύρος απορρόφησης και η αποτελεσματικότητα εξαρτώνται από τον τύπο του πυριτίου λεπτής μεμβράνης. Ανεξάρτητα από τον τύπο της ηλιακής κυψέλης, τα ηλιακά πάνελ παρέχουν μια βιώσιμη και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Με περαιτέρω τεχνολογικές εξελίξεις, τα ηλιακά πάνελ θα μπορούν να παρέχουν ακόμη μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας με ακόμη μεγαλύτερη απόδοση.