خلية شمسية معززة plasmonic هي نوع من الخلايا الشمسية (بما في ذلك الأغشية الرقيقة ، والسيليكون البلوري ، والسيليكون غير المتبلور ، وأنواع أخرى من الخلايا) التي تحول الضوء إلى كهرباء بمساعدة البلازمونات. يختلف السماكة عن السليكون الكهروضوئية التقليدية ، إلى أقل من 2 ميكرون ، ويمكن نظريًا أن تكون رقيقة مثل 100 نانومتر. يمكنهم استخدام ركائز أرخص من السليكون ، مثل الزجاج أو البلاستيك أو الفولاذ. أحد التحديات التي تواجه الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هو أنها لا تمتص الضوء بقدر ما تمتصه الخلايا الشمسية السميكة من مواد لها نفس معامل الامتصاص. تعتبر طرق اصطياد الضوء مهمة للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. تعمل الخلايا المعززة ببلازماكونيك على تحسين الامتصاص عن طريق تشتيت الضوء باستخدام جسيمات نانو معدنية متحركة في رنين البلازمون السطحي. يؤدي الضوء الوارد عند تردد رنين البلازمون إلى اهتزازات الإلكترون على سطح الجسيمات النانوية. ويمكن بعد ذلك التقاط إلكترونات التذبذب بواسطة طبقة موصلة تنتج تيارًا كهربائيًا. يعتمد الجهد الكهربي على فجوة الحزمة للطبقة الموصلة وإمكانات الإلكتروليت عند ملامسة الجسيمات النانوية. لا يزال هناك الكثير من البحوث اللازمة لتمكين التكنولوجيا من الوصول إلى إمكاناتها الكاملة وتسويق الخلايا الشمسية المحسنة.
التاريخ
الأجهزة
يوجد حاليا ثلاثة أجيال مختلفة من الخلايا الشمسية. الجيل الأول (تلك الموجودة في السوق اليوم) مصنوع من رقائق بلورية شبه موصلة ، مع صنع السيليكون البلوري “ما يصل إلى 93٪ من حصة السوق وحوالي 75 جيجاوات مثبتة في عام 2016”. تحجب الخلايا الشمسية الحالية الضوء عن طريق إنشاء الأهرامات على السطح والتي لها أبعاد أكبر من معظم الخلايا الشمسية الرقيقة. تم استكشاف سطح الركيزة الخشنة (عادة عن طريق نمو SnO2 أو ZnO على السطح) مع أبعاد على ترتيب أطوال الموجات الواردة وإيداع SC على القمة. تزيد هذه الطريقة من التيار الضوئي ، ولكن الخلايا الشمسية الرقيقة تكون عندئذٍ ذات جودة مادية منخفضة.
تعتمد الخلايا الشمسية من الجيل الثاني على تقنيات الأفلام الرقيقة مثل تلك المعروضة هنا. تركز هذه الخلايا الشمسية على خفض كمية المواد المستخدمة وكذلك زيادة إنتاج الطاقة. يجري حاليًا البحث عن خلايا شمسية من الجيل الثالث. يركزون على تقليل تكلفة الجيل الثاني من الخلايا الشمسية. تتم مناقشة الجيل الثالث من الـ SCs بمزيد من التفصيل تحت التطوير الأخير.
التصميم
يختلف تصميم الخلايا الشمسية المُعززة للبلازما ، اعتمادًا على الطريقة المستخدمة في اعتراض وتوزع الضوء عبر السطح وعبر المادة.
خلايا النانوية
التصميم المشترك هو إيداع جسيمات نانو معدنية على السطح العلوي لسطح الخلية الشمسية. عندما يضرب الضوء هذه الجسيمات النانوية المعدنية في رنين البلازمون السطحي ، فإن الضوء مبعثر في العديد من الاتجاهات المختلفة. هذا يسمح للضوء بالسير على طول الخلية الشمسية ويرتد بين الركيزة وجزيئات النانو مما يسمح للخلية الشمسية بامتصاص المزيد من الضوء. كثافة المجال القريب المركزة الناجمة عن طفيل السطح المحلي للجسيمات المعدنية النانوية سوف تعزز الامتصاص البصري لأشباه الموصلات. في الآونة الأخيرة ، وجدت طرق plasmonic غير المتماثلة من جزيئات النانو لصالح الامتصاص الضوئي عريضة النطاق وتعزيز الخواص الكهربائية للخلايا الشمسية.وتكشف التأثيرات المتأججة لل plلازمون-البصري وال plلازمون الكهربائية للجسيمات النانوية عن ميزة واعدة للبلازمون النانوي.
ومؤخرًا ، أظهر الجوهر النانوي (المعدني) -الصافي (العازف) النانوي تناثرًا عكسيًا إلى الخلف مع تشتتٍ أمامي مُحسَّن على ركيزة Si عندما يقع plasmon السطح أمام خلية شمسية. يمكن للجسيمات النانوية الأساسية الصدفية أن تدعم في نفس الوقت كل من الرنين الكهربائي والمغنطيسي ، مما يدل على خصائص جديدة تمامًا عند مقارنتها بالجرعات النانوية المعدنية العارية إذا تم تصميم الرنين بشكل صحيح.
خلايا الفيلم المعدنية
الطرق الأخرى التي تستخدم plasmons السطح لحصاد الطاقة الشمسية متوفرة. نوع واحد آخر من الهيكل هو الحصول على طبقة رقيقة من السيليكون وطبقة رقيقة من المعدن تترسب على السطح السفلي. سوف ينتقل الضوء عبر السيليكون ويولد بلاسونات سطحية على واجهة السليكون والمعدن. هذا يولد المجالات الكهربائية داخل السليكون حيث أن المجالات الكهربائية لا تنتقل بعيدا جدا في المعادن. إذا كان المجال الكهربائي قويًا بما فيه الكفاية ، يمكن نقل الإلكترونات وتجميعها لإنتاج تيار ضوئي. يجب أن يكون للفيلم الرقيق من المعدن في هذا التصميم أخاديد بحجم نانومتر يعمل بمثابة أدلة موجات للضوء الوارد من أجل إثارة أكبر عدد ممكن من الفوتونات في فيلم السيليكون الرفيع.
مبادئ
جنرال لواء
عندما يكون الفوتون متحمسًا في طبقة الخلايا الشمسية ، يتم فصل الإلكترون والفتحة. وبمجرد فصل الإلكترونات والثقوب ، فإنها سوف تحتاج إلى إعادة تجميع لأنها ذات شحنة معاكسة. إذا كان بالإمكان جمع الإلكترونات قبل حدوثها ، فيمكن استخدامها كتيار لدائرة خارجية. إن تصميم سمك الخلية الشمسية هو دائمًا مفاضلة بين التقليل من هذا التركيب (طبقات أرفع) واستيعاب المزيد من الفوتونات (طبقة أكثر سمكا).
جزيئات النانو
التشتت والاستيعاب
تتضمن المبادئ الأساسية لأداء الخلايا الشمسية المحسنة plasmonic نثر وامتصاص الضوء بسبب ترسب جزيئات النانو المعدنية. السيليكون لا يمتص الضوء بشكل جيد. لهذا السبب ، يجب أن يكون هناك المزيد من الضوء المبعثر عبر السطح من أجل زيادة الامتصاص. وقد وجد أن جزيئات النانو المعدنية تساعد على تشتيت الضوء الوارد عبر سطح الركيزة السيليكونية. يمكن إظهار المعادلات التي تحكم تشتت وامتصاص الضوء على النحو التالي:
هذا يدل على تشتت الضوء للجسيمات التي لها أقطار أقل من طول موجة الضوء.
![{\ displaystyle C_ {abs} = {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} {\ text {Im}} [\ alpha]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a69d9da0969957f585f701b8550388a103702ea2)
هذا يدل على امتصاص لنموذج ثنائي القطب نقطة.
![\ alpha = 3V \ left [{\ frac {\ epsilon _ {p} / \ epsilon _ {m} -1} {\ epsilon _ {p} / \ epsilon _ {m} +2}} \ right]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70ef6bf06476d79a26e139882a3f733eabdfdff4)
هذا هو الاستقطاب من الجسيمات. V هو حجم الجسيمات. هي وظيفة العزل الكهربائي للجسيم. هي وظيفة العزل الكهربائي لوسط التضمين. متى تصبح قابلية الاستقطاب للجسيم كبيرة. تُعرف قيمة الاستقطاب هذه باسم رنين plasmon السطح. يمكن تعريف وظيفة العزل الكهربائي للمعادن ذات الامتصاص المنخفض على النحو التالي:
في المعادلة السابقة ، {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} هو تردد البلازما بالجملة. يتم تعريف هذا على النحو التالي:
الاعتماد على الطول الموجي
يعتمد رنين البلازمون السطحي بشكل أساسي على كثافة الإلكترونات الحرة في الجسيم. ويرد أدناه ترتيب كثافات الإلكترونات لمختلف المعادن إلى جانب نوع الضوء الذي يتوافق مع الرنين.
الألومنيوم – فوق بنفسجي
الفضة – فوق البنفسجية
ذهب – مرئي
النحاس – مرئي
إذا كان ثابت العزل الكهربائي لوسط التضمين مختلفًا ، فيمكن تغيير تردد الرنين. سوف تؤدي المؤشرات العالية للانكسار إلى تردد أطول في الطول الموجي.
محاصرة الضوء
يتم ترسيب جسيمات النانو المعدنية على مسافة من الركيزة من أجل احتجاز الضوء بين الركيزة والجسيمات. يتم تضمين الجسيمات في مادة على الجزء العلوي من الركيزة. المادة عادة ما تكون عازل ، مثل السيليكون أو نيتريد السيليكون. عند إجراء التجربة والمحاكاة على كمية الضوء المنتثر في الركيزة بسبب المسافة بين الجسيم والطبقة التحتية ، يتم استخدام الهواء كمواد للتضمين كمرجع. وقد وجد أن كمية الضوء المشع في الطبقة السفلية تقل مع المسافة من الركيزة. وهذا يعني أن جسيمات النانو على السطح تكون مرغوبة لإشعاع الضوء في الركيزة ، ولكن إذا لم تكن هناك مسافة بين الجسيم والطبقة التحتية ، فإن الضوء لا يتم حصره والمزيد من الضوء يهرب.
البلازونات السطحية هي إثارات لإلكترونات التوصيل في واجهة المعدن والعزل الكهربائي. يمكن استخدام جسيمات النانو المعدنية لزوج موجات الطائرة وتتبعها بحرية في طبقة طبقة رقيقة من أشباه الموصلات. يمكن طي الضوء إلى الطبقة الممتصة لزيادة الامتصاص. تُعد البلازمونات السطحية الموضعية في جزيئات النانو المعدنية وقطرات البواسون السطحية في واجهة المعدن وأشباه الموصلات ذات أهمية في البحث الحالي. في الأوراق الأخيرة التي تم الإبلاغ عنها ، شكل وحجم جسيمات النانو المعدنية هي العوامل الرئيسية لتحديد كفاءة عدم الاستعمال. تتمتع الجسيمات الأصغر بكفاءة أكبر غير ملائمة نظرًا لزيادة اقتران المجال القريب. ومع ذلك ، فإن الجسيمات الصغيرة جدا تعاني من خسائر أومية كبيرة.
في الآونة الأخيرة ، وجدت طرق plasmonic غير المتماثلة من جزيئات النانو لصالح الامتصاص الضوئي عريضة النطاق وتعزيز الخواص الكهربائية للخلايا الشمسية. وتكشف التأثيرات المتأججة لل plلازمون-البصري وال plلازمون الكهربائية للجسيمات النانوية عن ميزة واعدة للبلازمون النانوي.
فيلم معدني
بما أن الضوء يحدث على سطح الفيلم المعدني ، فإنه يثير البلازونات السطحية. تردد plasmon السطح محدد للمواد ، ولكن من خلال استخدام شبكات خاصة على سطح الفيلم ، يمكن الحصول على ترددات مختلفة. كما يتم الحفاظ على البلازمونات السطحية من خلال استخدام موجهات الموجات لأنها تجعل من السهل على سطح البلاسمونات السير على السطح وتقليل الخسائر الناتجة عن المقاومة والإشعاع. الحقل الكهربائي المولدة من البلازما السطحية يؤثر على الإلكترونات للسفر نحو الركيزة التجميعية.
المواد
| الجيل الاول | الجيل الثاني | الجيل الثالث |
|---|---|---|
| الكريستال أحادي البلورة | CuInSe2 | جاليوم انديوم فوسفيد |
| سيليكون متعدد البلورات | السيليكون غير المتبلور | جاليوم انديوم ارسينيد |
| السيليكون متعدد الكريستالات | فيلم رقيق بلوري سي | الجرمانيوم |
تطبيقات
تطبيقات الخلايا الشمسية المحسنة plasmonic لا حصر لها. الحاجة إلى خلايا شمسية أرخص وأكثر كفاءة كبيرة. ولكي تعتبر الخلايا الشمسية فعالة من حيث التكلفة ، فإنها تحتاج إلى توفير الطاقة بسعر أقل من الطاقة التقليدية مثل الفحم والبنزين. ساعدت الحركة نحو عالم أكثر اخضرارًا على إطلاق أبحاث في مجال الخلايا الشمسية المحسنة. في الوقت الحالي ، لا يمكن للخلايا الشمسية أن تتجاوز كفاءات تبلغ حوالي 30٪ (الجيل الأول). مع التكنولوجيات الجديدة (الجيل الثالث) ، يمكن توقع كفاءات تصل إلى 40-60 ٪. مع الحد من المواد من خلال استخدام تكنولوجيا الأفلام الرقيقة (الجيل الثاني) ، يمكن دفع الأسعار أقل.
قد تكون تطبيقات معينة للخلايا الشمسية المحسنة plasmonic لمركبات استكشاف الفضاء. المساهمة الرئيسية لهذا هو انخفاض وزن الخلايا الشمسية. كما لن تكون هناك حاجة إلى مصدر خارجي للوقود في حالة توليد طاقة كافية من الخلايا الشمسية. هذا من شأنه أن يساعد بشكل كبير على خفض الوزن كذلك.
تمتلك الخلايا الشمسية قدرة كبيرة على مساعدة كهربة الريف. هناك ما يقدر بمليوني قرية بالقرب من خط الاستواء لديها قدرة محدودة على الوصول إلى الكهرباء وأنواع الوقود الأحفوري ، وأن حوالي 25٪ من سكان العالم لا يحصلون على الكهرباء. عندما يتم مقارنة تكلفة مد شبكات الكهرباء وتشغيل الكهرباء الريفية واستخدام مولدات الديزل مع تكلفة الخلايا الشمسية ، فإن العديد من الخلايا الشمسية ستفوز. إذا انخفضت كفاءة وتكلفة تكنولوجيا الخلايا الشمسية الحالية إلى أبعد من ذلك ، فإن العديد من المجتمعات والقرى الريفية في جميع أنحاء العالم يمكنها الحصول على الكهرباء عندما تكون الطرق الحالية غير واردة. وستكون التطبيقات المحددة للمجتمعات الريفية عبارة عن أنظمة ضخ المياه وإمدادات الكهرباء السكنية وأضواء الشوارع. تطبيق مثير للاهتمام بشكل خاص سيكون للأنظمة الصحية في البلدان حيث المركبات الآلية ليست وفيرة بشكل مفرط. يمكن استخدام الخلايا الشمسية لتوفير الطاقة لتبريد الأدوية في مبردات أثناء النقل.
تستطيع الخلايا الشمسية أيضًا توفير الطاقة للمنارات أو العوامات أو حتى البوارج في المحيط. يمكن للشركات الصناعية استخدامها لتزويد أنظمة الاتصالات بالطاقة أو أنظمة المراقبة والتحكم على طول خطوط الأنابيب أو أي نظام آخر.
إذا كان يمكن إنتاج الخلايا الشمسية على نطاق واسع وتكون فعالة من حيث التكلفة ، فإنه يمكن بناء محطات طاقة كاملة من أجل توفير الطاقة للشبكات الكهربائية. مع انخفاض حجمها ، يمكن تنفيذها في كل من المباني التجارية والسكنية مع بصمة أصغر بكثير. قد لا يبدو حتى مثل قُرى العين.
المناطق الأخرى في الأنظمة الهجينة. يمكن للخلايا الشمسية أن تساعد في تشغيل أجهزة الاستهلاك العالية مثل السيارات من أجل تقليل كمية الوقود الأحفوري المستخدم وللمساعدة في تحسين الظروف البيئية للأرض.
في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ، يمكن استخدام الخلايا الشمسية لتحل محل البطاريات للإلكترونيات منخفضة الطاقة. هذا من شأنه أن يوفر على الجميع الكثير من المال ، وسوف يساعد أيضا على تقليل كمية النفايات التي تذهب إلى مقالب القمامة.
التطورات الأخيرة
اختيار جزيئات معدنية نانو plasmonic
الاختيار الصحيح لجسيمات النانو المعدنية البلازمية أمر بالغ الأهمية لامتصاص الضوء الأقصى في الطبقة النشطة. السطح الأمامي يقع على جزيئات النانو Ag and Au وهي المواد الأكثر استخدامًا على نطاق واسع نظرًا لأصداء البلازمون السطحية الموجودة في النطاق المرئي ، وبالتالي تتفاعل بقوة أكبر مع كثافة الشمس القصوى. ومع ذلك ، فإن هذه الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة تعمل دائمًا على إدخال اقتران خفيف إلى Si في الأطوال الموجية القصيرة تحت رنين plasmon السطح بسبب تأثير Fano الضار ، أي التداخل المدمر بين الضوء المشتت وغير المبعثر. وعلاوة على ذلك ، فإن جسيمات النانو المعدنية النبيلة غير عملية لتنفيذ صناعة الخلايا الشمسية على نطاق واسع بسبب تكلفتها العالية وندائها في القشرة الأرضية. مؤخرا ، تشانغ وآخرون. أثبتت التكلفة المنخفضة والمواد الأرضية الوفيرة جسيمات النانو لتكون قادرة على التفوق على جزيئات Ag و Au nano ذات الاستخدام الواسع. جزيئات النانو ، مع رنين البلازمون السطحي الموجود في منطقة الأشعة فوق البنفسجية تحت حافة الطيف الشمسي المطلوب عند 300 نانومتر ، يمكن أن تتجنب الخفض وتقدم تحسينًا إضافيًا في نطاق الطول الموجي الأقصر.
اختيار شكل من جزيئات النانو
Nanosphere
Nanostar
جسيمات النانو الأساسية قذيفة
Nanodisk
Nanocavity
Nanovoid
النانوية النانوية
Nanocage
محاصرة الضوء
كما نوقش في وقت سابق ، فإن القدرة على تركيز وتقطير الضوء عبر سطح الخلية الشمسية المحسنة بلسمونكس ستساعد على زيادة الكفاءة.ومؤخرا ، اكتشفت الأبحاث في مختبرات سانديا الوطنية دليلا موجيا فوتويا يجمع الضوء عند طول موجي معين ويحجزه داخل الهيكل. يمكن أن تحتوي هذه البنية الجديدة على 95٪ من الضوء الذي يدخلها مقارنة بـ 30٪ بالنسبة لأدلة الموجات التقليدية الأخرى. ويمكنه أيضًا توجيه الضوء ضمن طول موجي واحد أكبر بعشر مرات من دليل الموجات التقليدية. يمكن اختيار الطول الموجي الذي يلتقطه هذا الجهاز من خلال تغيير بنية الشبكة التي تشتمل على البنية. إذا تم استخدام هذا الهيكل لاحتجاز الضوء وإبقائه في الهيكل حتى تستطيع الخلايا الشمسية امتصاصه ، يمكن زيادة كفاءة الخلية الشمسية بشكل كبير.
استيعاب
آخر تطور في الخلايا الشمسية المحسنة plasmonic يستخدم طرق أخرى للمساعدة في امتصاص الضوء. إحدى الطرق التي يتم بحثها هي استخدام الأسلاك المعدنية على الجزء العلوي من الطبقة التحتية لتشتت الضوء. وهذا من شأنه أن يساعد من خلال استخدام مساحة أكبر من سطح الخلية الشمسية لتشتت الضوء والاستيعاب. الخطر في استخدام الخطوط بدلاً من النقاط هو إنشاء طبقة عاكسة ترفض الضوء من النظام.هذا غير مرغوب فيه للغاية للخلايا الشمسية. سيكون هذا مشابهًا جدًا لمقاربة الفيلم المعدني الرفيع ، ولكنه أيضًا يستخدم تأثير التشتت لجزيئات النانو. يوي وآخرون. استخدمت نوعًا من المواد الجديدة ، تسمى العوازل الطوبولوجية ، لزيادة امتصاص الخلايا الشمسية فائقة السمية. تتكون البنية النانوية للعازل الطوبولوجي من تكوين جوهري أساسي. جوهر هو عازلة ولها مؤشر الانكسار عالية جدا. الصدفة معدنية وأصداء بلسمون سطح الدعم. من خلال دمج صفائف nanocone في الخلايا الشمسية للأغشية الرفيعة Si ، تم توقع زيادة امتصاص الضوء بنسبة 15٪ في النطاقات فوق البنفسجية والمرئية.
الجيل الثالث
الهدف من الخلايا الشمسية من الجيل الثالث هو زيادة الكفاءة باستخدام الخلايا الشمسية من الجيل الثاني (طبقة رقيقة) واستخدام المواد التي يتم العثور عليها بوفرة على الأرض. وكان هذا أيضًا هدفًا للخلايا الشمسية الرقيقة. مع استخدام المواد الشائعة والآمنة ، يجب أن تكون الخلايا الشمسية من الجيل الثالث قادرة على تصنيعها بكميات كبيرة مما يقلل من التكاليف. التكاليف الأولية ستكون عالية من أجل إنتاج عمليات التصنيع ، ولكن بعد ذلك يجب أن تكون رخيصة. الطريقة التي ستتمكن بها الخلايا الشمسية من الجيل الثالث من تحسين الكفاءة هي استيعاب نطاق أوسع من الترددات. اقتصرت تقنية الأفلام الرقيقة الحالية على تردد واحد بسبب استخدام أجهزة الفجوات ذات النطاق الواحد.
مستويات متعددة للطاقة
تكمن فكرة الخلايا الشمسية متعددة مستويات الطاقة في تكديس الخلايا الشمسية الرقيقة بشكل أساسي فوق بعضها البعض. سيكون لكل خلية شمسية ذات غشاء رقيق فجوة نطاق مختلفة مما يعني أنه إذا لم يتم امتصاص جزء من الطيف الشمسي بواسطة الخلية الأولى ، فسيكون الجزء الموجود أسفله قادراً على امتصاص جزء من الطيف. يمكن تكديس هذه ويمكن استخدام فجوة الفرقة الأمثل لكل خلية من أجل إنتاج أقصى قدر من الطاقة. تتوفر خيارات لكيفية توصيل كل خلية ، مثل التسلسلية أو المتوازية. يكون الاتصال التسلسلي مرغوبا فيه لأن ناتج الخلية الشمسية سيكون مجرد قيادتين.
يجب أن تكون البنية الشبكية في كل خلية من الخلايا الرقيقة واحدة. إذا لم يكن هناك سيكون هناك خسائر. العمليات المستخدمة لإيداع الطبقات معقدة. وهي تشمل Epitaxy Beam الجزيئية و Epitaxy المرحلة العضوية المعدنية بخار. يتم إجراء سجل الكفاءة الحالي مع هذه العملية ولكن ليس لديه ثوابت شبكية مطابقة متطابقة. لا تكون الخسائر الناتجة عن ذلك فعالة بقدر الإمكان ، لأن الاختلافات في المشابك تسمح بمرونة أكبر لشدة النطاق الأمثل للخلية الأولى. من المتوقع أن يكون هذا النوع من الخلايا فعالاً بنسبة 50٪.
ويجري البحث أيضا المواد ذات الجودة المنخفضة التي تستخدم عمليات الترسيب أرخص. هذه الأجهزة ليست فعالة ، ولكن السعر والحجم والقوة مجتمعة تسمح لها أن تكون بنفس التكلفة الفعالة. نظرًا لأن العمليات أبسط وأن المواد متاحة بسهولة أكبر ، يكون الإنتاج الضخم لهذه الأجهزة أكثر اقتصادا.
الخلايا الحاملة الساخنة
المشكلة في الخلايا الشمسية هي أن فوتونات الطاقة العالية التي تضرب السطح تتحول إلى حرارة. هذه خسارة للخلية لأن الفوتونات الواردة لا يتم تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام. الفكرة وراء الخلية الحاملة الساخنة هي استخدام بعض من تلك الطاقة الواردة التي يتم تحويلها إلى حرارة.إذا كان بالإمكان جمع الإلكترونات والثقوب أثناء السكون ، يمكن الحصول على جهد أعلى من الخلية. وتتمثل المشكلة في القيام بذلك في أن الاتصالات التي تجمع الإلكترونات والثقوب ستعمل على تبريد المادة. حتى الآن ، كان الحفاظ على الاتصالات من تبريد الخلية نظريا. طريقة أخرى لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية باستخدام الحرارة المتولدة هي أن يكون لها خلية تسمح بفوتونات طاقة أقل لإثارة أزواج الإلكترون والثقوب. هذا يتطلب فجوة نطاق صغيرة. باستخدام ملامسة انتقائية ، يمكن جمع إلكترونات الطاقة المنخفضة والثقوب مع السماح لأحجام الطاقة الأعلى بالاستمرار في التحرك عبر الخلية. يتم إجراء الاتصالات الانتقائية باستخدام بنية نفق مزدوج مانعة للحاجز. يتم تبريد الناقلات التي تشتت مع الفونونات. إذا كانت المادة ذات فجوة نطاق كبيرة من الفونونات ، فستحمل الناقلات المزيد من الحرارة إلى جهة الاتصال ولن تضيع في البنية الشبكية. إحدى المواد التي لها فجوة نطاق كبيرة من الفونونات هي نيتريد الإنديوم. الخلايا الحاملة الساخنة في مهدها لكنها بدأت في التحرك نحو المرحلة التجريبية.
الخلايا الشمسية الكهربائية Plasmonic
يتميز plasmon بخصائص فريدة للأصداء الانضغاطية والتحسين غير المقبول للحقل القريب ، وهو تقنية تمكينية لإدارة الضوء. في الآونة الأخيرة ، تم تحسين أداء الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بشكل واضح من خلال إدخال هياكل النانو المعدنية. وتعزى التحسينات بشكل رئيسي إلى تأثيرات plasmonic-optical للتلاعب بالانتشار والامتصاص والانتشار الخفيف. يمكن أن التأثيرات الضوئية plasmonic: (1) تعزيز الامتصاص البصري للمواد النشطة. (2) يعيد توزيع امتصاص الضوء في الفضاء النشط من الناحية المكانية نتيجة للتحسين القريب من الحقل حول بنى النانو المعدنية. وباستثناء التأثيرات الضوئية plasmonic-optical ، فقد تم اقتراح تأثيرات إعادة التركيب المعدلة للبلازما ونقلها وجمعها من الحاملات الضوئية (الإلكترونات والثقوب) ، والتي تسمى فيما بعد التأثيرات البلازمية الكهربائية ، بواسطة Sha، etal. ولتعزيز أداء الجهاز ، وضعوا قاعدة تصميم عامة ، مصممة خصيصًا لتناسب إلكترونًا تعديليًا إلى نسبة التنقّل ، لتحديد مسارات نقل الحاملات الضوئية. وتقترح قاعدة التصميم أن تكون نسبة الإلكترون إلى طول طول فتحة النقل متوازنة مع الإلكترون إلى نسبة حركة الثقب.بمعنى آخر ، يجب أن يكون وقت نقل الإلكترونات والثقوب (من مواقع التوليد الأولية إلى الأقطاب الكهربائية المقابلة) هو نفسه. يمكن أن تتحقق قاعدة التصميم العامة من خلال إعادة توزيع الامتداد المكاني على الطبقة النشطة من الأجهزة (مع تأثير plasmonic-electric). كما أنها أظهرت كسر الحد الأقصى للمساحة الفضائية في الخلية الشمسية العضوية plasmonic الكهربائية. في الآونة الأخيرة ، وجدت طرق plasmonic غير المتماثلة من جزيئات النانو لصالح الامتصاص الضوئي عريضة النطاق وتعزيز الخواص الكهربائية للخلايا الشمسية.وتكشف التأثيرات المتأججة لل plلازمون-البصري وال plلازمون الكهربائية للجسيمات النانوية عن ميزة واعدة للبلازمون النانوي.
رقيقة جدا الخلايا الشمسية plasmonic رقاقة
إن تقليل سماكة رقاقة السيليكون عند فقدان الكفاءة إلى الحد الأدنى يمثل الاتجاه السائد في زيادة فعالية التكلفة للخلايا الشمسية القائمة على رقاقة.مؤخرا ، تشانغ وآخرون. لقد أوضحنا أنه باستخدام إستراتيجية محاصرة الضوء المتقدمة مع بنية جسيمات نانو مصممة بشكل جيد ، يمكن أن تقل سماكة طبقة الرقاقات بشكل كبير إلى حوالي 1/10 فقط من السماكة الحالية (180 ميكرومتر) دون أي خسارة في كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة 18.2٪. يمكن للخلايا الشمسية النانوية المدمجة بجزيئات النانو مع 3٪ فقط من سمك رقاقة الويفر الحالية تحقيق 15.3٪ من الكفاءة التي تجمع بين تعزيز الامتصاص مع الاستفادة من زيادة الجهد الكهربي في الدائرة المفتوحة. يمثل هذا توفيرًا بنسبة 97٪ للمواد مع فقدان الكفاءة النسبية بنسبة 15٪ فقط. هذه النتائج تثبت جدوى واحتمالات تحقيق خلايا السيليكون رقيقة جدا عالية الكفاءة رقاقة مع محاصرة ضوء plasmonic.