¿Por qué no usamos materiales conductores en celdas solares que tienen un espacio de banda más bajo, en lugar de materiales semiconductores?

La brecha de banda es una brecha de energía entre la banda de valencia y una banda conductora separada por la brecha de energía. Este es un modelo que surge de estados cuánticos que dan lugar a energías permitidas y prohibidas que conducen a la brecha de banda.

Para que la luz se convierta (como en las células solares) en electricidad, la brecha de banda tiene que coincidir con la energía de la luz (calculada como la frecuencia constante de luz x de Planck) para que los electrones externos puedan obtener esa energía para pasar a la banda de conducción. La energía de banda prohibida es la de los materiales semiconductores. Dependiendo de la disponibilidad, capacidad de fabricación, costo, etc., el material semiconductor (silicio) ha sido elegido para la fabricación de células solares.

En los metales, la luz normalmente visible se refleja debido a los electrones libres externos y no se absorbe como se requiere para convertirla en electricidad.

Para dar una respuesta rápida y aproximada: porque desea un fotovoltaje de una célula solar mayor que cero. ¿Pero por qué? ¿Asume que una celda solar hecha de conductores dará un voltaje de cero? Sí, lo más probable, o al menos por ahora lo es.

Los portadores generados por foto (carga) están “calientes” en una etapa temprana. Es decir, tienen una separación de energía mayor que la banda prohibida en una etapa temprana. Pero interactúan con la red (el material absorbente), y esta interacción hace que los portadores pierdan energía rápidamente y calientan la red al mismo tiempo. Normalmente, esta interacción es tan fuerte que los portadores caen a los bordes de la banda (conducción y valencia) (se vuelven “fríos”) antes de que se extraigan del dispositivo para emitir corriente. Esto significa que la separación de energía entre los portadores fotogenerados con carga positiva y negativa está limitada principalmente por el intervalo de banda del absorbedor, y la separación de energía determina el voltaje de salida. Como queremos energía eléctrica (= voltaje x corriente) de una celda solar, queremos un equilibrio entre el voltaje de salida y la corriente de salida.

Dicho esto, hay investigadores que intentan fabricar células solares portadoras en caliente, es decir, las portadoras fotogeneradas se extraen mientras todavía están “calientes”. Pero aún no lo hemos hecho con éxito.

Espero que esto responda a su pregunta.

(Para aclarar un poco, las células solares usan conductores, como metal u óxidos conductores transparentes como electrodos para extraer corrientes).

Un conductor no tiene una banda prohibida, de verdad. Vea el “efecto fotoeléctrico” para cuando la luz golpea un metal.

TL; DR Un intervalo de banda bajo permitirá que se pueda usar más% de fotones, pero un intervalo de banda más alto proporcionará un voltaje de funcionamiento más alto. Entonces es un equilibrio entre las necesidades.

“El silicio cristalino, el semiconductor de células solares más popular, tiene un intervalo de banda de 1,1 electroltios (eV). El semiconductor elegido para una célula solar tiene que absorber la mayor cantidad de espectro solar posible, por lo tanto, es deseable una baja brecha de banda. Sin embargo, esto está contrarrestado por el deseo de tener también un voltaje incorporado tan grande como sea posible, lo que requiere un intervalo de banda más grande. Por lo tanto, como compromiso, una brecha de banda entre 1.0 y 1.7 eV hace un semiconductor solar efectivo. En este rango, los electrones pueden liberarse sin crear demasiado calor “.

Espero que esto te ayude …

Porque….

No solo necesitamos obtener la electricidad … ¡necesitamos generarla …!

Y como en el material conductor, la banda de valencia y la banda de conducción sobre el regazo tampoco hay electrones libres (de valencia) que puedan excitarse al suministrar algún tipo de energía (luz en este caso), utilizamos semiconductores ya que su banda de valencia y banda de conducción tienen un espacio muy pequeño también tienen un electrón libre (de valencia) que cuando es excitado por algo de energía (luz solar aquí) supera el espacio de banda de energía y fluye a través del conductor en forma de electricidad.

Gracias y saludos

En primer lugar, no he hecho los cálculos, por lo que esta respuesta puede no ser completamente precisa. Dicho esto, creo que el silicio es el mejor equilibrio entre el costo del material, los métodos de fabricación, la absorción del espectro de luz y la inducción de corriente, además de que hay mucho conocimiento sobre la actividad eléctrica en el silicio. Los materiales pueden hacer cosas extrañas a nivel de electrones, especialmente teniendo en cuenta las fluctuaciones de temperatura exterior. Se están explorando muchos materiales, como las perovskitas, que pueden ser mucho mejores, por lo que podríamos utilizarlos en el futuro, pero la industria está recién comenzando. ¡No puedo esperar a ver hojas artificiales en todas partes!