Wat is bandgap?

De bandgap, ook wel energiekloof genoemd, is het energieverschil tussen de valentieband (de hoogste energieniveaus die volledig bezet zijn door elektronen) en de geleidingsband (de laagste energieniveaus die vrij zijn voor elektronen) in een halfgeleidermateriaal. Dit energieverschil bepaalt hoeveel energie een elektron nodig heeft om van de valentieband naar de geleidingsband te springen, waardoor het materiaal elektrisch geleidend wordt.

Waarom is bandgap belangrijk?

De bandgap bepaalt de elektrische en optische eigenschappen van een materiaal en is cruciaal in toepassingen zoals:

• Zonnecellen: De bandgap bepaalt welk deel van het zonnespectrum door een zonnecel kan worden geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit.
• LED’s: De bandgap beïnvloedt de kleur van het uitgestraalde licht.
• Elektronica: In halfgeleiders zoals silicium bepaalt de bandgap hoe een transistor of diode werkt.

Soorten materialen op basis van bandgap

Geleiders
In geleiders, zoals metalen, overlappen de valentieband en de geleidingsband. Hierdoor kunnen elektronen vrij bewegen en elektriciteit geleiden zonder dat extra energie nodig is.

Halfgeleiders
Halfgeleidermaterialen, zoals silicium en galliumarsenide, hebben een bandgap tussen ongeveer 0,5 en 2,5 eV. Elektronen kunnen met behulp van een kleine hoeveelheid energie (zoals zonlicht of warmte) van de valentieband naar de geleidingsband springen.

Isolatoren
Isolatoren, zoals glas of rubber, hebben een grote bandgap (meer dan 5 eV), waardoor elektronen veel energie nodig hebben om geleidend te worden.

Bandgap in zonnecellen

De bandgap van het gebruikte materiaal in een zonnecel bepaalt welke golflengtes van licht worden geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit.

• Ideale bandgap: Voor een zonnecel ligt de ideale bandgap rond 1,1 eV tot 1,5 eV. Dit zorgt voor een balans tussen het absorberen van zichtbaar licht en het minimaliseren van warmteverlies.
• Voorbeelden:
  • Silicium: Heeft een bandgap van 1,1 eV, wat het geschikt maakt voor zonnecellen.
  • Perovskieten: Deze materialen hebben een aanpasbare bandgap en bieden veelbelovende mogelijkheden voor efficiëntere zonnecellen.
  • Galliumarsenide: Met een bandgap van 1,43 eV is dit ideaal voor hoogefficiënte zonnecellen.

Factoren die bandgap beïnvloeden

Materiaalstructuur
De chemische samenstelling en kristalstructuur van een materiaal bepalen de breedte van de bandgap.

Temperatuur
Bij hogere temperaturen kan de bandgap van een materiaal iets smaller worden, wat de elektrische eigenschappen beïnvloedt.

Doping
Door het toevoegen van onzuiverheden aan een halfgeleider kan de effectieve bandgap worden aangepast om de prestaties te optimaliseren.

Innovaties in bandgap-technologie

Multijunction zonnecellen
Door materialen met verschillende bandgaps te combineren, kunnen multijunction zonnecellen een breder deel van het zonnespectrum omzetten in elektriciteit.

Tunable bandgap-materialen
Nieuw onderzoek richt zich op materialen waarvan de bandgap kan worden aangepast door externe factoren zoals spanning of temperatuur.

Perovskietcellen
Deze materialen bieden de mogelijkheid om de bandgap aan te passen, wat hen geschikt maakt voor specifieke toepassingen, zoals tandemzonnecellen.

Nanostructuren
Quantum dots en andere nanomaterialen maken het mogelijk om de bandgap nauwkeurig te regelen, wat nieuwe mogelijkheden opent in elektronica en fotonica.

Toepassingen van bandgap

Zonne-energie
De efficiëntie van zonnecellen hangt sterk af van de bandgap van het gebruikte materiaal.

Elektronische apparaten
Halfgeleiders met specifieke bandgaps worden gebruikt in transistors, diodes en andere elektronische componenten.

Lichtbronnen
De bandgap bepaalt de golflengte en dus de kleur van het licht dat wordt uitgestraald door LED’s en lasers.

Detectoren
In sensoren en fotodetectoren speelt de bandgap een rol bij het bepalen van de gevoeligheid voor specifieke golflengtes van licht.

Conclusie

De bandgap is een fundamenteel concept in de natuurkunde en materiaalwetenschap, met toepassingen in zonne-energie, elektronica, en optische technologieën. Door de breedte van de bandgap te begrijpen en te optimaliseren, kunnen onderzoekers en ingenieurs materialen en apparaten ontwikkelen die efficiënter, veelzijdiger en effectiever zijn. Innovaties in bandgap-technologie blijven bijdragen aan vooruitgang in hernieuwbare energie en hightech-toepassingen.