Bandgap – Grundläggande fysik bakom solcellernas funktion

Vad är bandgap?

Bandgapet är en av de mest fundamentala egenskaperna hos material som används i solceller. Inom fasta tillståndets fysik definieras bandgapet som den minsta mängd energi som krävs för att föra en elektron från de högsta ockuperade energitillstånden till de lägsta oockuperade tillstånden. Med andra ord handlar det om avståndet mellan ledningsbandets botten och valensbandets topp.

För att förstå vad detta betyder i praktiken kan vi tänka på bandgapet som en energibarriär. Elektroner behöver tillräckligt med energi för att “hoppa över” denna barriär och bli fria att röra sig genom materialet och bidra till elektrisk ström.

Varför är bandgap viktigt för solceller?

Bandgapets storlek avgör vilka ljusvåglängder som ett material kan absorbera och omvandla till elektrisk energi. Detta gör det till en kritisk parameter vid design av solceller. För photovoltaiska tillämpningar behöver materialet ha rätt bandgap för att effektivt kunna utnyttja solljusets energi.

Solljusets spektrum innehåller fotoner med olika energier, och endast fotoner med energi som är lika med eller större än materialets bandgap kan skapa elektron-hål-par som bidrar till elproduktionen. Detta förklarar varför olika solcellsmaterial har olika verkningsgrader under svenska förhållanden.

Bandstruktur i material

Valensband

Valensbandet innehåller ett ämnes valenselektroner – de elektroner som normalt deltar i kemisk bindning mellan atomer. I fria atomer har elektronerna exakt bestämda energier med “förbjudna” områden mellan dem där elektroner inte kan existera.

När atomer placeras tätt intill varandra, som i fasta material, påverkar atomernas elektroner varandra på ett dramatiskt sätt. Detta skapar molekylorbitaler med helt nya energinivåer. Om vi börjar med bara två atomer uppstår två nya orbitaler – en bindande och en antibindande orbital med två olika energinivåer.

I verkliga material med enorma mängder atomer (jämförbart med Avogadros tal, cirka 6 × 10²³) uppstår lika många orbitaler och energinivåer. Denna ofantliga mängd av nivåer skapar i praktiken ett kontinuum av tillåtna energier – det vi kallar ett energiband.

Sammansättningen av valensbandet varierar kraftigt mellan olika material: - I oxider domineras valensbandet av syrejonernas 2p-band - I koksalt består valensbandet av klorjonernas Cl 3p-tillstånd - För kovalenta ämnen som diamant och kisel är situationen mer komplex, där valensbandet huvudsakligen består av elektroner i kovalenta bindningar

Ledningsband

Ledningsbandet representerar energinivåer där elektroner kan röra sig fritt genom materialet och därmed bidra till elektrisk ledning. För ett rent ämne vid låga temperaturer är ledningsbandet normalt tomt på elektroner, men de möjliga energinivåerna för elektroner existerar ändå.

Strukturen av ledningsbandet beror på materialets atomära sammansättning. I natriumklorid (NaCl) består till exempel de lägsta tillstånden i ledningsbandet av natrium 3s- och 3p-orbitaler.

Materialtyper och bandgap

Bandgapets storlek klassificerar material i tre huvudkategorier:

Metaller har bandgap på noll – valensbandet och ledningsbandet överlappar varandra. Detta förklarar varför metaller leder elektricitet så bra även vid rumstemperatur.

Halvledare har ett måttligt bandgap som gör att de kan leda ström under rätt förhållanden, men fungerar som isolatorer vid låga temperaturer. Detta är den materialtyp som används i solceller.

Isolatorer har mycket stora bandgap som gör det extremt svårt för elektroner att nå ledningsbandet under normala förhållanden.

Optiska egenskaper och transparens

Bandgapet förklarar inte bara elektriska egenskaper som låg konduktivitet utan också optiska egenskaper som transparens. Material med stora bandgap absorberar inte fotoner med låg energi (som synligt ljus) eftersom dessa fotoner inte har tillräckligt med energi för att föra elektroner över energibarriären.

Detta är anledningen till att många isolatorer med stora bandgap, som glas och vissa keramiska material, är transparenta för synligt ljus. Omvänt absorberar material med små bandgap lätt synligt ljus, vilket gör dem ogenomskinliga.

Temperaturens påverkan

Bandgapet påverkas av temperatur på ett sätt som är viktigt för solcellsprestanda under svenska klimatförhållanden. När temperaturen ökar minskar vanligtvis bandgapet något, vilket kan påverka solcellernas verkningsgrad och optimal arbetspunkt.

Understanding av bandgap-konceptet hjälper till att förklara varför solceller ofta presterar bättre under svala, soliga dagar jämfört med mycket varma dagar, trots att ljusintensiteten kan vara liknande.