Si gehört zu den am häufigsten vorkommenden Materialien auf der Erde und wird auch häufig für Prozessoren verwendet. Es gibt nur sehr wenige andere Materialien, die theoretisch damit konkurrieren können. Germanium und GaAs werden es niemals können. Organische Solarzellen waren aufgrund der geringen Herstellungskosten vielversprechend (fragen Sie einfach Bakterien oder was auch immer, um Ihre Solarzellen herzustellen), scheiterten jedoch. Jetzt sind Perowskite und insbesondere Perowskit-Silizium-Tandems das heiße Thema in der Forschung.

Früher sahen Dünnschichttechnologien wie CdTe, CIGS usw. ebenfalls vielversprechend aus und gewannen bedeutende Marktanteile - der höchste lag bei etwa 13%, und viele glaubten, dass sie fast 20% des Marktes erreichen werden gefangene Siliziumeffizienz. Aber dann kamen Chinesen auf den Markt und töteten andere Technologien, indem sie die Si-Preise drastisch senkten.

GaAs und eng verwandte andere III-V-Technologien werden dort eingesetzt, wo die Massen- oder Flächeneffizienz am wichtigsten ist, da diese Technologie die höchste Effizienz bietet - daher wird sie für Satelliten und andere Raumfahrzeuge verwendet. Die ISS verwendet jedoch immer noch Silizium (obwohl GaAs schon damals einen höheren Wirkungsgrad hatte). Nach Tristans Kommentar werden sie bald auf die neuesten GaAs-Tandems umsteigen - die Tandems hier werden GaInP / GaAs / Ge sein. Dieses Tandem ist das typischste, es sind jedoch verschiedene andere Konfigurationen möglich. Solche Tandems sind normalerweise (aber nicht immer) gitterangepasst und kombinieren Ga / In mit N / P / As in verschiedenen Verhältnissen, um eine variable Bandlücke zu erreichen

Nun genauer zu den genannten Technologien in der Frage:

1. GaAs ist verrückt teuer. Ein einzelner Wafer kostet mehrere hundert Euro, während selbst Floatzon-Siliziumwafer zehn kosten und typische Solarzellen aus spottbilligem Silizium bestehen, das für den Wafer weit unter 1 € kostet (unverarbeitete Waferkosten). Fügen Sie Tonnen von Si-Technologie aus der CPU-Industrie hinzu. Es ist einfach und billig, Werkzeuge zu erhalten, die auf Silizium zaubern können. Werkzeuge für III-V sind teuer und viel problematischer
2. Germanium allein ist kein gutes Solarzellenmaterial - zu geringe Bandlücke. Aber toll für Tandems. Sicher, es werden Tonnen von Photonen gesammelt, aber die gesamte Photonenenergie jenseits der Bandlücke wird verschwendet und Sie werden nicht viel Energie haben. Es sei denn, Sie versuchen (und scheitern schließlich), funktionsfähige Abwärtswandler herzustellen, um die hochenergetischen Photonen in zwei Teile mit jeweils der Hälfte der Energie aufzuteilen. Si ist tatsächlich ziemlich gut in Bezug auf die Bandlücke, nur ~ 1% (absolut) unter dem Maximum.
3. Indirekte Bandlücke bedeutet nur, dass Ihr Absorptionskoeffizient in der Nähe der Bandlücke stark abfällt. Optisch hat dies eine einzige Konsequenz: Sie benötigen eine dickere Absorberschicht, um die gleiche Absorption zu erzielen. Da Silizium jedoch billig ist, ist es kein großes Problem. Wie sich herausstellt, wurden 100-μm-Wafer verschoben, da die Waferhandhabung mehr als die Effizienz aufwies. Es stellte sich heraus, dass Sie sie im Gegensatz zu den robusten 180-μm-Wafern leicht zerbrechen können. Selbst wenn nur 1 μm Silizium dünn sind, wird immer noch überraschend viel Licht absorbiert, wenn es an jeder Grenzfläche stark gestreut wird.
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Beim Thema Germanium versus Silizium ist eine kleinere Bandlücke in einer Solarzelle nicht eine gute Sache.

Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Single-Junction-Solarzelle in natürlichem, nicht fokussiertem Sonnenlicht wird als Shockley-Queisser-Grenze bezeichnet und ist eine Funktion der Bandlücke.Es stellt sich heraus, dass diese Grenze bei einer Bandlücke von $ 1,34 ~ \ rm eV $ span> ein Maximum hat, wodurch Galliumarsenid () entsteht$ 1.42 ~ \ rm eV $ span>) ausgezeichnet und Silizium ( $ 1.1 ~ \ rm eV $ span>) immer noch ziemlich gut.Germanium ist weit genug entfernt, dass seine Effizienz viel geringer ist.

Der Rohstoff Germanium ist etwa 100- bis 1000-mal teurer als Silizium.

Darüber hinaus ist die Wissenschaft und Technik von Silizium gut etabliert.

Außerdem verwenden Sie kein Silizium, um die Solarzellen herzustellen, man verwendet dotierte Silizium-pn-Übergänge, um die Zelle herzustellen, und wenn Sie ein Solarpanel zum Einschalten verwenden möchten, benötigen Sie eine gewisse Spannungsdifferenz.

Da Silizium im Überfluss vorhanden ist (ich glaube, dass etwa 25% der Erdkruste aus Silizium besteht), hat die Industrie dies als Standard akzeptiert. Internationale Technologie-Roadmap für Halbleiter besagt, dass viele neue Materialien die Branche verändern werden, aber sie glauben auch, dass Silizium das dominierende Material auf diesem Gebiet sein wird.

Eine große Anzahl von Methoden wurde gerade für Silizium entwickelt. Das Czochralski-Verfahren, das Dotieren mit Ionenimplantation, Wafer-Dicing-Techniken usw. sind alles komplizierte Verfahren und Methoden, die in der Industrie verwendet werden. Viele der für die Halbleiterherstellung verwendeten Geräte kosten Milliarden von Dollar und sind normalerweise für die Arbeit mit Silizium optimiert. Die Verarbeitung anderer Materialien ist natürlich möglich, aber aufgrund des begrenzten Wissens und der wirtschaftlichen Kosten beschränken sich diese Methoden normalerweise auf die akademische Forschung.

Fazit: Silizium ist möglicherweise nicht das beste Material für Solarzellen, wird jedoch aufgrund wirtschaftlicher und technonologischer Einschränkungen von der Industrie bevorzugt.

Ich bin kein Experte für Halbleiterphysik, aber aus einigen Internetrecherchen habe ich herausgefunden, dass Geld nicht immer der entscheidende Faktor ist.Germanium wird manchmal auch in Halbleitern verwendet und wurde als solches bereits vor Silizium verwendet.Germanium ist bei hohen Temperaturen anscheinend weniger stabil und verträgt hohe Leistungsniveaus nicht so gut wie Silizium.Außerdem kommt Germanium in der Erdkruste weniger häufig vor als Silizium.

Infrastruktur

Entschuldigung.Aber die Antwort ist wirklich langweilig und hat nichts mit Physik zu tun.

Die Antwort liegt einfach darin, dass wir eine ganze Branche eingerichtet haben, um hochwertiges, hochreines und fehlerarmes Silizium herzustellen.

Die Elektronikindustrie produziert seit Jahren reine Siliziumbarren.Interessanterweise ist es der gleiche Grund, warum Silizium für das Avogadro-Projekt ausgewählt wurde.

Most wichtig

Si ist viel billiger.

Obwohl GaAs in Bezug auf die Effizienz viel besser als si ist, ist es sehr kostspielig, so dass Dallas / Watt steigt.Daher wird GaAs nur in bestimmten Anwendungen wie Weltraumprojekten verwendet.

Die sehr kleine Bandlücke von Ge führt zu mehreren Verlustmechanismen, die die Effizienz von Ge-Zellen verringern.

Weiterführende Literatur https://en.m.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

https://scholar.google.co.in/scholar?q=gaas+on+silicon&hl=de&as_sdt=0&as_vis=1&oi=scholart