Om een fundamenteel begrip te krijgen van de werking van een zonnecel, is het belangrijk te weten wat het begrip band gap precies inhoudt. Het is namelijk deze materiaal-specifieke eigenschap die het gedrag van de halfgeleider in een zonnecel voor een groot deel verklaart. Om dit artikel te begrijpen, is enige kennis van zowel natuur- als scheikunde vereist. Er wordt vanuit gegaan dat u in ieder geval op enig niveau weet wat elektronen zijn en welke rol zij spelen in een materiaal. Ook wordt verondersteld dat u weet wat een elektronVolt en een foton is.
Het uitsluitingsprincipe van Pauli leert ons dat geen twee elektronen in een vaste stof dezelfde toestand mogen hebben. Het is om deze reden dat elektronen zich per atoom in verschillende energie-specifieke schillen organiseren; de zogenaamde elektronenschillen. Omdat een stof miljarden en miljarden elektronen bevat, die geen van allen dezelfde energietoestand mogen hebben, verworden deze discrete schillen in een vaste stof tot nagenoeg continuë banden; de zogenaamde energiebanden. De hoogst-energetische band waarin zich elektronen bevinden wordt de zogenaamde valentieband genoemd. De laagst-energetische band die vrij is van elektronen, wordt de geleidingsband genoemd. De precieze grens tussen valantieband en geleidingsband (bij een temperatuur van 0K) wordt het Fermi-niveau genoemd.
Verboden niveaus
De elektronen in de geleidingsband zijn, zoals de naam al voorspelt, verantwoordelijk voor de elektrische geleiding in een materiaal. Deze elektronen kunnen zich vrij door het materiaal verplaatsen (ze zijn gebonden middels een zogenaamde metaalbinding) en zorgen zo dat een eventuele spanningsverschil resulteert in een stroom. Omdat niet alle energieniveaus zijn toegestaan voor de elektronen, bevindt zich in geval van isolatoren en halfgeleiders tussen de valentieband en de geleidingsband een ‘verboden’ energieniveau. De hoogte van dit verboden niveau bepaalt hoeveel energie er toegevoegd moet worden voordat een elektron de geleidingsband in mag. Het is deze verboden band die ook wel de band gap genoemd wordt. In geval van geleiders is deze band gap absent, in geval van isolatoren is deze >5eV en bij halfgeleiders is deze meestal rond de ~1eV.
De energieniveaus, inclusief de “verboden” band gap, van zowel een metaal, een halfgeleider als een isolator.
De zonnecel
Middels de constante van Planck (E=hc/λ, waar h=constante van Planck, E=energy en c=lichtsnelheid) is uit te rekenen welke golflengte bij welke energie hoort. Dit is handig, omdat we nu aan de hand van de band gap kunnen voorspellen welke golflengte door een materiaal geabsorbeerd wordt om de promotie van elektronen van de valentie- naar de geleidingsband ‘te verzorgen’. Op deze manier kunnen we bijvoorbeeld berekenen dat het (violette deel van het) zichtbare licht een band gap van maximaal 3,26eV kan overbruggen. Zodra een invallend foton wordt geabsorbeerd, wordt de benodigde energie ‘afgetapt’ om het elektron te promoten; de rest wordt omgezet in warmte. Fotonen met onvoldoende energie worden ofwel doorgelaten, ofwel teruggekaatst.
Over het algemeen geldt voor een zonnecel: hoe hoger de overbrugde band gap, hoe hoger de resulterende spanning. Dit brengt een limiet met zich mee, want de hoeveelheid zonlicht in ‘hoge energiesferen’ (UV en hoger) is relatief beperkt. De hogere spanning is dus leuk, maar de resulterende stroomsterkte (en daarmee de opbrengst, P=VI) is dan laag. Om de opbrengst (in Watt) te maximaliseren, moet gekozen worden voor een materiaal met een band gap die hoog genoeg is, maar niet zó hoog is dat er weinig zonlicht beschikbaar is. De ideale band gap, dat wil zeggen de band gap waarvoor het product P=VI maximaal is, is voor zonlicht ongeveer 1,4 eV. Omdat een andere band gap een andere absorptiegolflengte impliceert, is het mogelijk grotere delen van het zonne-spectrum te benutten door zonnecellen van verschillende band gap boven elkaar te plaatsen. Deze zogenaamde ‘tandem cells’ hebben qua rendement een zeer hoog theoretisch maximum dat afhang van welke en hoeveel band gaps er ‘ingezet’ worden.
