Plasmonische Solarzelle

Eine plasmonisch verbesserte Solarzelle ist eine Art von Solarzelle (einschließlich Dünnfilm, kristallinem Silizium, amorphem Silizium und anderen Arten von Zellen), die mithilfe von Plasmonen Licht in Elektrizität umwandeln. Die Dicke variiert von der von herkömmlichem Silizium PV bis zu weniger als 2 & mgr; m und könnte theoretisch so dünn wie 100 nm sein. Sie können Substrate verwenden, die billiger als Silizium sind, wie Glas, Kunststoff oder Stahl. Eine der Herausforderungen für Dünnschichtsolarzellen besteht darin, dass sie nicht so viel Licht absorbieren wie dickere Solarzellen, die aus Materialien mit demselben Absorptionskoeffizienten bestehen.Methoden für das Einfangen von Licht sind wichtig für Dünnschichtsolarzellen. Plasmonenverstärkte Zellen verbessern die Absorption durch Streuung von Licht unter Verwendung von Metallnanopartikeln, die bei ihrer Oberflächenplasmonenresonanz angeregt werden. Ankommendes Licht bei der Plasmonenresonanzfrequenz induziert Elektronenschwingungen an der Oberfläche der Nanopartikel. Die Oszillationselektronen können dann von einer leitenden Schicht eingefangen werden, die einen elektrischen Strom erzeugt. Die erzeugte Spannung ist abhängig von der Bandlücke der leitfähigen Schicht und dem Potential des Elektrolyten in Kontakt mit den Nanopartikeln. Es bedarf noch erheblicher Forschung, damit die Technologie ihr volles Potenzial und die Kommerzialisierung plasmonisch verbesserter Solarzellen voll ausschöpfen kann.

Geschichte

Geräte
Derzeit gibt es drei verschiedene Generationen von Solarzellen. Die erste Generation (die heute auf dem Markt sind) besteht aus kristallinen Halbleiterwafern, wobei kristallines Silizium „bis zu 93% Marktanteil und rund 75 GW im Jahr 2016 installiert“ hat. Aktuelle Solarzellen fangen Licht ein, indem sie Pyramiden auf der Oberfläche erzeugen, die Abmessungen haben, die größer sind als bei den meisten Dünnschichtsolarzellen. Es wurde untersucht, ob die Oberfläche des Substrats rauh ist (typischerweise durch Aufwachsen von SnO2 oder ZnO auf der Oberfläche), wobei die Abmessungen in der Größenordnung der einfallenden Wellenlängen liegen und der SC oben abgeschieden wird. Diese Methode erhöht den Photostrom, aber die Dünnschichtsolarzellen hätten dann eine schlechte Materialqualität.

Die Solarzellen der zweiten Generation basieren auf Dünnschichttechnologien, wie sie hier vorgestellt werden. Diese Solarzellen konzentrieren sich auf die Senkung des Materialeinsatzes sowie auf die Steigerung der Energieproduktion. Die Solarzellen der dritten Generation werden derzeit erforscht. Sie konzentrieren sich auf die Senkung der Kosten für Solarzellen der zweiten Generation. Die SCs der dritten Generation werden unter dem jüngsten Fortschritt detaillierter diskutiert.

Design
Das Design für plasmonisch verbesserte Solarzellen hängt von der verwendeten Methode ab, um Licht über die Oberfläche und durch das Material einzufangen und zu streuen.

Nanopartikelzellen
Ein übliches Design besteht darin, metallische Nanopartikel auf der Oberfläche der Oberfläche der Solarzelle aufzubringen. Wenn Licht auf diese Metallnanopartikel bei ihrer Oberflächenplasmonenresonanz trifft, wird das Licht in viele verschiedene Richtungen gestreut.Dadurch kann das Licht entlang der Solarzelle wandern und zwischen dem Substrat und den Nanopartikeln springen, wodurch die Solarzelle mehr Licht absorbieren kann. Die konzentrierte Nahfeldintensität, die durch das lokalisierte Oberflächenplasmon der Metallnanopartikel induziert wird, fördert die optische Absorption von Halbleitern. In jüngster Zeit haben die plasmonischen asymmetrischen Moden von Nanopartikeln die optische Breitbandabsorption begünstigt und die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen gefördert. Die simultane plasmonoptische und plasmonelektrische Wirkung von Nanopartikeln zeigt ein vielversprechendes Merkmal von Nanopartikel-Plasmon.

Vor kurzem hat das Kern- (Metall-) Schalennanopartikel eine Null-Rückwärtsstreuung mit verstärkter Vorwärtsstreuung auf Si-Substrat gezeigt, wenn Oberflächenplasmonen vor einer Solarzelle angeordnet sind. Die Kern-Schale-Nanopartikel können gleichzeitig sowohl elektrische als auch magnetische Resonanzen unterstützen und zeigen völlig neue Eigenschaften im Vergleich zu reinen metallischen Nanopartikeln, wenn die Resonanzen richtig konstruiert sind.

Metallfilmzellen
Andere Verfahren, die Oberflächenplasmonen zum Ernten von Solarenergie verwenden, sind verfügbar. Eine andere Art von Struktur besteht darin, einen dünnen Siliziumfilm und eine dünne Metallschicht auf der unteren Oberfläche aufzubringen. Das Licht wird durch das Silizium wandern und Oberflächenplasmonen an der Grenzfläche zwischen Silizium und Metall erzeugen. Dies erzeugt elektrische Felder innerhalb des Siliziums, da elektrische Felder nicht sehr weit in Metalle wandern.Wenn das elektrische Feld stark genug ist, können Elektronen bewegt und gesammelt werden, um einen Photostrom zu erzeugen. Der dünne Metallfilm in diesem Design muss nanometergroße Rillen aufweisen, die als Wellenleiter für das ankommende Licht dienen, um so viele Photonen wie möglich in dem Siliziumdünnfilm anzuregen.

Prinzipien

Allgemeines
Wenn ein Photon im Substrat einer Solarzelle angeregt wird, werden ein Elektron und ein Loch getrennt. Wenn die Elektronen und Löcher einmal getrennt sind, wollen sie rekombinieren, da sie eine entgegengesetzte Ladung haben. Wenn die Elektronen vor diesem Ereignis gesammelt werden können, können sie als Strom für eine externe Schaltung verwendet werden. Die Auslegung der Dicke einer Solarzelle ist immer ein Kompromiss zwischen der Minimierung dieser Rekombination (dünnere Schichten) und der Absorption von mehr Photonen (dickere Schicht).

Nanopartikel

Streuung und Absorption
Die Grundprinzipien für die Funktionsweise plasmonisch verstärkter Solarzellen umfassen die Streuung und Absorption von Licht aufgrund der Abscheidung von Metall-Nanopartikeln. Silizium absorbiert Licht nicht sehr gut. Aus diesem Grund muss mehr Licht über die Oberfläche gestreut werden, um die Absorption zu erhöhen. Es wurde gefunden, dass Metallnanopartikel dazu beitragen, das ankommende Licht über die Oberfläche des Siliziumsubstrats zu streuen. Die Gleichungen, die die Streuung und Absorption von Licht bestimmen, können gezeigt werden als:

Dies zeigt die Streuung von Licht für Teilchen, die Durchmesser unterhalb der Wellenlänge von Licht haben.

Dies zeigt die Absorption für ein Punktdipolmodell.

Dies ist die Polarisierbarkeit des Teilchens. V ist das Partikelvolumen.  ist die dielektrische Funktion des Partikels.  ist die dielektrische Funktion des Einbettungsmediums. Wann  die Polarisierbarkeit des Teilchens wird groß. Dieser Polarisierbarkeitswert ist als Oberflächenplasmonresonanz bekannt. Die dielektrische Funktion für Metalle mit geringer Absorption kann wie folgt definiert werden:

In der vorherigen Gleichung ist {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} die Plasmamassenfrequenz. Dies ist definiert als:

N ist die Dichte der freien Elektronen, e ist die elektronische Ladung und m ist die effektive Masse eines Elektrons.  ist die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes. Die Gleichung für die Oberflächenplasmonresonanz im freien Raum kann daher dargestellt werden durch:
 
Viele der plasmonischen Solarzellen nutzen Nanopartikel, um die Lichtstreuung zu verstärken. Diese Nanopartikel nehmen die Form von Kugeln an und daher ist die Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Kugeln wünschenswert. Durch Lösen der vorherigen Gleichungen kann die Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für eine Kugel im freien Raum wie folgt gezeigt werden:
Bei der Oberflächenplasmonenresonanz für ein Silber-Nanopartikel beträgt der Streuquerschnitt etwa das 10-fache des Querschnitts des Nanopartikels. Das Ziel der Nanopartikel besteht darin, Licht auf der Oberfläche des SC einzufangen. Die Absorption von Licht ist für das Nanopartikel nicht wichtig, vielmehr ist es für den SC wichtig. Man würde denken, dass der Streuquerschnitt größer wird, wenn das Nanopartikel vergrößert wird. Dies gilt jedoch im Vergleich zur Größe des Nanopartikels  ) ist reduziert. Teilchen mit einem großen Streuquerschnitt haben tendenziell einen breiteren Plasmonenresonanzbereich.

Wellenlängenabhängigkeit
Die Oberflächenplasmonresonanz hängt hauptsächlich von der Dichte der freien Elektronen im Partikel ab. Die Reihenfolge der Elektronendichten für verschiedene Metalle ist nachstehend zusammen mit der Art des Lichts gezeigt, das der Resonanz entspricht.

Aluminium – Ultraviolett
Silber – Ultraviolett
Gold – Sichtbar
Kupfer – Sichtbar
Wenn die Dielektrizitätskonstante für das Einbettungsmedium variiert wird, kann die Resonanzfrequenz verschoben werden. Höhere Brechungsindizes führen zu einer längeren Wellenlängenfrequenz.

Lichtfallen
Die Metallnanopartikel werden in einem Abstand von dem Substrat abgeschieden, um das Licht zwischen dem Substrat und den Partikeln einzufangen. Die Partikel sind in einem Material auf der Oberseite des Substrats eingebettet. Das Material ist typischerweise ein Dielektrikum, wie etwa Silizium oder Siliziumnitrid. Bei der Durchführung von Experimenten und Simulationen der Menge an Licht, die aufgrund des Abstands zwischen dem Partikel und dem Substrat in das Substrat gestreut wird, wird Luft als das Einbettungsmaterial als Referenz verwendet. Es wurde gefunden, dass die Menge an in das Substrat eingestrahltem Licht mit der Entfernung von dem Substrat abnimmt. Dies bedeutet, dass Nanopartikel auf der Oberfläche wünschenswert sind, um Licht in das Substrat zu strahlen, aber wenn es keinen Abstand zwischen dem Partikel und dem Substrat gibt, dann wird das Licht nicht eingefangen und mehr Licht tritt aus.

Die Oberflächenplasmonen sind die Erregungen der Leitungselektronen an der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum. Metallische Nanopartikel können verwendet werden, um sich frei ausbreitende ebene Wellen in die Halbleiterdünnfilmschicht einzukoppeln und einzufangen. Licht kann in die absorbierende Schicht gefaltet werden, um die Absorption zu erhöhen. Die lokalisierten Oberflächenplasmonen in Metallnanopartikeln und die Oberflächenplasmonpolaritonen an der Grenzfläche von Metall und Halbleiter sind in der aktuellen Forschung von Interesse. In neueren Berichten sind die Form und Größe der Metallnanopartikel Schlüsselfaktoren zur Bestimmung der Einkopplungseffizienz. Die kleineren Partikel haben eine größere Einkopplungseffizienz aufgrund der verstärkten Nahfeldkopplung. Sehr kleine Teilchen leiden jedoch unter großen ohmschen Verlusten.

In jüngster Zeit haben die plasmonischen asymmetrischen Moden von Nanopartikeln die optische Breitbandabsorption begünstigt und die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen gefördert. Die simultane plasmonoptische und plasmonelektrische Wirkung von Nanopartikeln zeigt ein vielversprechendes Merkmal von Nanopartikel-Plasmon.

Metallfolie
Wenn Licht auf die Oberfläche des Metallfilms einfällt, erregt es Oberflächenplasmonen. Die Oberflächenplasmonenfrequenz ist spezifisch für das Material, aber durch die Verwendung von Gittern auf der Oberfläche des Films können verschiedene Frequenzen erhalten werden. Die Oberflächenplasmonen werden auch durch die Verwendung von Wellenleitern erhalten, da sie Oberflächenplasmonen leichter auf der Oberfläche wandern lassen und die Verluste aufgrund von Widerstand und Strahlung minimiert werden. Das von den Oberflächenplasmonen erzeugte elektrische Feld beeinflusst die Elektronen, um zu dem sammelnden Substrat zu wandern.

Materialien

Erste Generation Zweite Generation Dritte Generation
Einkristall-Silizium CuInSe2 Galliumindiumphosphid
Multikristallines Silizium amorphes Silizium Galliumindiumarsenid
Polykristallines Silizium Dünnfilm kristallines Si Germanium

Anwendungen
Die Anwendungen für plasmonisch verbesserte Solarzellen sind endlos. Der Bedarf an billigeren und effizienteren Solarzellen ist enorm. Damit Solarzellen als kostengünstig betrachtet werden können, müssen sie Energie zu einem geringeren Preis als herkömmliche Energiequellen wie Kohle und Benzin bereitstellen. Die Bewegung hin zu einer grüneren Welt hat dazu beigetragen, die Forschung auf dem Gebiet der plasmonisch verbesserten Solarzellen voranzutreiben. Derzeit können Solarzellen Wirkungsgrade von ca. 30% nicht überschreiten (Erste Generation). Mit neuen Technologien (Third Generation) können Wirkungsgrade von bis zu 40-60% erwartet werden. Bei einer Materialreduzierung durch den Einsatz der Dünnschichttechnologie (Second Generation) können die Preise gesenkt werden.

Bestimmte Anwendungen für plasmonisch verbesserte Solarzellen würden für Weltraumforschungsfahrzeuge sein. Ein wesentlicher Beitrag dazu wäre das geringere Gewicht der Solarzellen. Eine externe Brennstoffquelle wäre auch nicht erforderlich, wenn genügend Energie von den Solarzellen erzeugt werden könnte. Dies würde drastisch dazu beitragen, das Gewicht zu reduzieren.

Solarzellen haben ein großes Potenzial zur ländlichen Elektrifizierung. Schätzungsweise zwei Millionen Dörfer in der Nähe des Äquators haben nur begrenzten Zugang zu Elektrizität und fossilen Brennstoffen und etwa 25% der Menschen auf der Welt haben keinen Zugang zu Elektrizität. Wenn die Kosten für die Erweiterung von Stromnetzen, den Betrieb von Strom aus ländlichen Regionen und die Verwendung von Dieselgeneratoren mit den Kosten für Solarzellen verglichen werden, gewinnen die Solarzellen oft. Wenn Effizienz und Kosten der derzeitigen Solarzellentechnologie noch weiter sinken, könnten viele ländliche Gemeinden und Dörfer auf der ganzen Welt Strom bekommen, wenn aktuelle Methoden nicht in Frage kommen. Spezifische Anwendungen für ländliche Gemeinden wären Wasserpumpsysteme, Stromversorgung für Wohnhäuser und Straßenbeleuchtung. Eine besonders interessante Anwendung wäre für Gesundheitssysteme in Ländern, in denen motorisierte Fahrzeuge nicht übermäßig vorhanden sind. Solarzellen könnten verwendet werden, um Medikamente in Kühlvorrichtungen während des Transports zu kühlen.

Solarzellen könnten auch Leuchttürme, Bojen oder sogar Schlachtschiffe im Meer mit Strom versorgen. Industrieunternehmen könnten damit Telekommunikationssysteme oder Überwachungs- und Steuerungssysteme entlang von Pipelines oder anderen Systemen betreiben.

Wenn die Solarzellen in großem Maßstab produziert werden könnten und kosteneffektiv wären, könnten ganze Kraftwerke gebaut werden, um die elektrischen Netze mit Strom zu versorgen. Mit einer Verkleinerung konnten sie auf Geschäfts-und Wohngebäuden mit einer viel kleineren Grundfläche implementiert werden. Sie scheinen nicht einmal wie ein Schandfleck zu sein.

Andere Bereiche sind in hybriden Systemen. Die Solarzellen könnten dazu beitragen, Geräte mit hohem Verbrauch wie etwa Autos anzutreiben, um die Menge an verwendeten fossilen Brennstoffen zu reduzieren und die Umweltbedingungen der Erde zu verbessern.

In Verbraucherelektronikgeräten könnten Solarzellen verwendet werden, um Batterien für Niedrigleistungselektronik zu ersetzen. Dies würde allen eine Menge Geld sparen, und es würde auch dazu beitragen, die Menge an Müll auf Deponien zu reduzieren.

Neueste Fortschritte
Auswahl an plasmonischen Metall-Nanopartikeln
Die richtige Wahl der plasmatischen Metallnanopartikel ist entscheidend für die maximale Lichtabsorption in der aktiven Schicht. Die vorderseitig angeordneten Nanopartikel Ag und Au sind aufgrund ihrer im sichtbaren Bereich liegenden Oberflächenplasmonenresonanzen die am häufigsten verwendeten Materialien und interagieren daher stärker mit der maximalen Sonnenintensität. Solche Edelmetall-Nanopartikel führen jedoch bei den kurzen Wellenlängen unterhalb der Oberflächenplasmonresonanz aufgrund des schädlichen Fano-Effekts, dh der destruktiven Interferenz zwischen dem gestreuten und dem nicht gestreuten Licht, immer eine reduzierte Lichtkopplung in Si ein. Darüber hinaus sind die Edelmetall-Nanopartikel wegen ihrer hohen Kosten und Knappheit in der Erdkruste für die Herstellung von Solarzellen im großen Maßstab nicht praktikabel. Kürzlich haben Zhang et al. haben gezeigt, dass die geringen Kosten und die Menge an Materialien, die in der Erde vorhanden sind, die Al-Nanopartikel in der Lage sind, die weit verbreiteten Ag- und Au-Nanopartikel zu übertreffen. Al-Nanopartikel mit ihren Oberflächenplasmonenresonanzen, die sich im UV-Bereich unterhalb der gewünschten Sonnenspektrumskante bei 300 nm befinden, können die Reduktion vermeiden und zusätzliche Verstärkung im kürzeren Wellenlängenbereich einführen.

Formauswahl von Nanopartikeln
Nanosphäre
Nanostar
Kern-Schale-Nanopartikel
Nanodisk
Nanocavity
Nanovoid
Nukleierte Nanopartikel
Nanocage
Lichtfallen

Wie bereits erwähnt, hilft die Konzentration und Streuung von Licht über die Oberfläche der plasmonisch verstärkten Solarzelle, die Effizienz zu erhöhen. Kürzlich hat die Forschung der Sandia National Laboratories einen photonischen Wellenleiter entdeckt, der Licht mit einer bestimmten Wellenlänge sammelt und in der Struktur einfängt. Diese neue Struktur kann 95% des einfallenden Lichts enthalten, verglichen mit 30% für andere herkömmliche Wellenleiter. Es kann das Licht auch innerhalb einer Wellenlänge lenken, die zehnmal größer ist als bei herkömmlichen Wellenleitern. Die Wellenlänge, die diese Vorrichtung erfasst, kann durch Ändern der Struktur des Gitters, das die Struktur umfasst, ausgewählt werden. Wenn diese Struktur verwendet wird, um Licht einzufangen und es in der Struktur zu halten, bis die Solarzelle es absorbieren kann, könnte der Wirkungsgrad der Solarzelle dramatisch erhöht werden.

Absorption
Ein weiterer neuer Fortschritt bei plasmonisch verbesserten Solarzellen ist die Verwendung anderer Methoden, um die Absorption von Licht zu unterstützen. Ein Weg, der erforscht wird, ist die Verwendung von Metalldrähten auf der Oberseite des Substrats, um das Licht zu streuen. Dies würde helfen, eine größere Fläche der Oberfläche der Solarzelle für Lichtstreuung und -absorption zu nutzen. Die Gefahr bei der Verwendung von Linien anstelle von Punkten besteht darin, eine reflektierende Schicht zu erzeugen, die das Licht vom System abweist. Dies ist für Solarzellen sehr unerwünscht. Dies wäre dem Ansatz des dünnen Metallfilms sehr ähnlich, nutzt aber auch den Streueffekt der Nanopartikel. Yue, et al. verwendeten eine Art neuer Materialien, sogenannte topologische Isolatoren, um die Absorption ultradünner a-Si-Solarzellen zu erhöhen. Die topologische Isolator-Nanostruktur hat intrinsisch eine Kern-Schale-Konfiguration. Der Kern ist dielektrisch und hat einen ultrahohen Brechungsindex. Die Schale ist metallisch und unterstützt Oberflächenplasmonenresonanzen. Durch die Integration der Nanokonus-Arrays in a-Si-Dünnschichtsolarzellen wurde eine Verstärkung der Lichtabsorption um bis zu 15% im ultravioletten und sichtbaren Bereich vorhergesagt.

Dritte Generation
Das Ziel der Solarzellen der dritten Generation ist es, den Wirkungsgrad durch den Einsatz von Solarzellen der zweiten Generation (Dünnschicht) zu erhöhen und Materialien zu nutzen, die reichlich auf der Erde vorhanden sind. Dies war auch ein Ziel der Dünnschichtsolarzellen. Mit dem Einsatz von gebräuchlichen und sicheren Materialien sollen Solarzellen der dritten Generation in Massen hergestellt werden können, was die Kosten weiter senkt. Die anfänglichen Kosten wären hoch, um die Herstellungsprozesse zu produzieren, aber danach sollten sie billig sein. Die Art und Weise, wie Solarzellen der dritten Generation in der Lage sind, die Effizienz zu verbessern, besteht darin, einen breiteren Bereich von Frequenzen zu absorbieren. Die derzeitige Dünnschichttechnologie wurde aufgrund der Verwendung von Vorrichtungen mit einer einzigen Bandlücke auf eine Frequenz beschränkt.

Mehrere Energiepegel
Die Idee für Solarzellen mit mehreren Energieniveaus besteht darin, Dünnschicht-Solarzellen im Grunde übereinander zu stapeln. Jede Dünnschichtsolarzelle hätte eine andere Bandlücke, was bedeutet, dass, wenn ein Teil des Sonnenspektrums nicht von der ersten Zelle absorbiert würde, die unmittelbar darunter liegende Zelle in der Lage wäre, einen Teil des Spektrums zu absorbieren.Diese können gestapelt werden und eine optimale Bandlücke kann für jede Zelle verwendet werden, um die maximale Menge an Energie zu erzeugen. Optionen für die Verbindung der einzelnen Zellen sind verfügbar, z. B. seriell oder parallel. Die serielle Verbindung ist erwünscht, da der Ausgang der Solarzelle nur zwei Leitungen wäre.

Die Gitterstruktur in jeder der Dünnschichtzellen muss gleich sein. Wenn es nicht so ist, wird es Verluste geben. Die zum Ablagern der Schichten verwendeten Prozesse sind komplex. Sie umfassen Molekularstrahlepitaxie und metallorganische Dampfphasenepitaxie. Die aktuelle Effizienzaufzeichnung wird mit diesem Prozess erstellt, hat jedoch keine genau passenden Gitterkonstanten. Die dadurch verursachten Verluste sind nicht so effektiv, da die Unterschiede in den Gittern ein optimaleres Bandlückenmaterial für die ersten zwei Zellen erlauben. Es wird erwartet, dass dieser Zelltyp 50% effizient sein kann.

Es werden auch minderwertige Materialien untersucht, die billigere Abscheidungsverfahren verwenden. Diese Geräte sind nicht so effizient, aber aufgrund des Preises, der Größe und der Leistung können sie genauso kosteneffizient sein. Da die Prozesse einfacher sind und die Materialien leichter verfügbar sind, ist die Massenproduktion dieser Vorrichtungen wirtschaftlicher.

Heiße Trägerzellen
Ein Problem mit Solarzellen besteht darin, dass die hochenergetischen Photonen, die auf die Oberfläche treffen, in Wärme umgewandelt werden. Dies ist ein Verlust für die Zelle, da die eintreffenden Photonen nicht in nutzbare Energie umgewandelt werden. Die Idee hinter der heißen Trägerzelle besteht darin, einen Teil dieser einfallenden Energie zu nutzen, die in Wärme umgewandelt wird. Wenn die Elektronen und Löcher im heißen Zustand gesammelt werden können, kann eine höhere Spannung von der Zelle erhalten werden. Das Problem dabei ist, dass die Kontakte, die Elektronen und Löcher sammeln, das Material abkühlen. Bisher war das Halten der Kontakte vom Kühlen der Zelle theoretisch. Ein anderer Weg zur Verbesserung der Effizienz der Solarzelle unter Verwendung der erzeugten Wärme besteht darin, eine Zelle zu haben, die es Photonen mit niedrigerer Energie ermöglicht, Elektronen- und Lochpaare anzuregen. Dies erfordert eine kleine Bandlücke. Mit einem selektiven Kontakt können die Elektronen und Löcher mit niedrigerer Energie gesammelt werden, während die höheren Energien sich weiter durch die Zelle bewegen können. Die selektiven Kontakte werden unter Verwendung einer Doppelbarriere-Resonanztunnelstruktur hergestellt. Die Träger werden gekühlt, die sie mit Phononen streuen. Wenn ein Material mit einer großen Bandlücke von Phononen vorliegt, dann werden die Träger einen größeren Teil der Wärme zu dem Kontakt leiten und es wird nicht in der Gitterstruktur verloren gehen. Ein Material, das eine große Bandlücke von Phononen aufweist, ist Indiumnitrid. Die heißen Trägerzellen sind in ihren Anfängen, aber sie beginnen sich in Richtung des experimentellen Stadiums zu bewegen.

Plasmonisch-elektrische Solarzellen
Mit einzigartigen Eigenschaften abstimmbarer Resonanzen und beispielloser Nahfeldverstärkung ist Plasmon eine wichtige Technik für das Lichtmanagement. In jüngster Zeit wurden die Eigenschaften von Dünnschichtsolarzellen durch die Einführung metallischer Nanostrukturen deutlich verbessert.Die Verbesserungen werden hauptsächlich den plasmonisch-optischen Effekten zur Manipulation von Lichtausbreitung, -absorption und -streuung zugeschrieben. Die plasmonisch-optischen Effekte könnten: (1) die optische Absorption von aktiven Materialien verstärken; (2) räumliche Umverteilung der Lichtabsorption an der aktiven Schicht aufgrund der lokalisierten Nahfeldverstärkung um metallische Nanostrukturen. Mit Ausnahme der plasmonisch-optischen Effekte wurden die Effekte von plasmonisch modifizierter Rekombination, Transport und Sammlung von Phototrägern (Elektronen und Löcher), im folgenden plasmonisch-elektrische Effekte genannt, von Sha, et al. Um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu erhöhen, entwickelten sie eine allgemeine Designregel, die auf ein beliebiges Elektron-Loch-Mobilitätsverhältnis zugeschnitten ist, um die Transportwege von Phototrägern zu bestimmen. Die Entwurfsregel legt nahe, dass das Elektron-Loch-Transportlängenverhältnis mit dem Elektronen-Loch-Mobilitätsverhältnis ausgeglichen werden sollte.Mit anderen Worten, die Transportzeit von Elektronen und Löchern (von anfänglichen Erzeugungsstellen zu entsprechenden Elektroden) sollte gleich sein. Die allgemeine Entwurfsregel kann durch räumliche Neuverteilung der Lichtabsorption an der aktiven Schicht von Vorrichtungen (mit dem plasmonisch-elektrischen Effekt) realisiert werden. Sie zeigten auch das Aufbrechen der Raumladungsgrenze in einer plasmonisch-elektrischen organischen Solarzelle. In jüngster Zeit haben die plasmonischen asymmetrischen Moden von Nanopartikeln die optische Breitbandabsorption begünstigt und die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen gefördert. Die simultane plasmonoptische und plasmonelektrische Wirkung von Nanopartikeln zeigt ein vielversprechendes Merkmal von Nanopartikel-Plasmon.

Ultradünne plasmonische Wafer-Solarzellen
Die Reduzierung der Siliziumwaferdicke bei minimiertem Wirkungsgradverlust stellt einen Hauptströmungstrend bei der Erhöhung der Kosteneffektivität von Wafer-basierten Solarzellen dar.Kürzlich haben Zhang et al. haben gezeigt, dass die Waferdicke mithilfe der fortschrittlichen Lichtfallenstrategie mit einer richtig ausgelegten Nanopartikelarchitektur auf nur etwa 1/10 der aktuellen Dicke (180 μm) reduziert werden kann, ohne dass die Effizienz der Solarzellen bei 18,2% sinkt. Nanopartikelintegrierte ultradünne Solarzellen mit nur 3% der aktuellen Waferdicke können möglicherweise eine Effizienz von 15,3% erreichen, wobei die Absorptionsverstärkung mit dem Vorteil einer dünneren Wafer-induzierten Leerlaufspannungserhöhung kombiniert wird. Dies bedeutet eine Materialersparnis von 97% bei einem relativen Wirkungsgradverlust von nur 15%. Diese Ergebnisse demonstrieren die Durchführbarkeit und die Aussicht, hocheffiziente ultradünne Siliziumwaferzellen mit plasmonischem Lichtfallen zu erhalten.