Una célula solar plasmónica mejorada es un tipo de célula solar (que incluye película delgada, silicio cristalino, silicio amorfo y otros tipos de células) que convierte la luz en electricidad con la ayuda de plasmones. El espesor varía desde el PV de silicio tradicional, a menos de 2 μm de espesor y teóricamente podría ser tan delgado como 100 nm. Pueden usar sustratos que son más baratos que el silicio, como el vidrio, el plástico o el acero. Uno de los desafíos para las células solares de capa delgada es que no absorben tanta luz como las células solares más gruesas hechas con materiales con el mismo coeficiente de absorción. Los métodos para atrapar la luz son importantes para las células solares de película delgada. Las células potenciadas con Plasmonic mejoran la absorción al dispersar la luz usando nanopartículas de metal excitadas en su resonancia de plasmón superficial.La luz entrante a la frecuencia de resonancia del plasmón induce oscilaciones de electrones en la superficie de las nanopartículas. Los electrones de oscilación pueden ser capturados por una capa conductora que produce una corriente eléctrica. El voltaje producido depende del margen de banda de la capa conductora y del potencial del electrolito en contacto con las nanopartículas. Todavía es necesaria una investigación considerable para permitir que la tecnología alcance su máximo potencial y la comercialización de células solares potenciadas con plasmónicos.
Historia
Dispositivos
Actualmente hay tres generaciones diferentes de células solares. La primera generación (las del mercado hoy en día) está hecha con obleas semiconductoras cristalinas, con silicio cristalino que produce «hasta el 93% del mercado y unos 75 GW instalados en 2016». Las células solares actuales atrapan la luz creando pirámides en la superficie que tienen dimensiones más grandes que la mayoría de las células solares de película delgada. Se ha explorado la aspereza de la superficie del sustrato (generalmente cultivando SnO2 o ZnO en la superficie) con dimensiones en el orden de las longitudes de onda entrantes y depositando el SC en la parte superior. Este método aumenta la fotocorriente, pero las celdas solares de película fina tendrían entonces una pobre calidad de material.
Las células solares de segunda generación se basan en tecnologías de película delgada como las que se presentan aquí. Estas células solares se enfocan en reducir la cantidad de material utilizado y en aumentar la producción de energía. Actualmente se están investigando células solares de tercera generación. Se enfocan en reducir el costo de las células solares de segunda generación.Los SC de tercera generación se discuten con más detalle en los últimos avances.
Diseño
El diseño de las células solares potenciadas con plasmónicos varía según el método utilizado para atrapar y dispersar la luz a través de la superficie y a través del material.
Células de nanopartículas
Un diseño común es depositar nanopartículas metálicas en la superficie superior de la superficie de la célula solar. Cuando la luz golpea estas nanopartículas de metal en su resonancia de plasmón superficial, la luz se dispersa en muchas direcciones diferentes. Esto permite que la luz viaje a lo largo de la célula solar y rebote entre el sustrato y las nanopartículas, lo que permite que la célula solar absorba más luz. La intensidad concentrada del campo cercano inducida por el plasmón de superficie localizado de las nanopartículas de metal promoverá la absorción óptica de los semiconductores. Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. Los efectos simultáneos del plasmón óptico y del plasmón eléctrico de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de nanopartículas.
Recientemente, la nanopartícula de núcleo (metal) (carcasa) (dieléctrica) ha demostrado una dispersión hacia atrás cero con una dispersión hacia adelante mejorada en el sustrato de Si cuando el plasmón superficial está ubicado frente a una célula solar. Las nanopartículas core-shell pueden soportar simultáneamente tanto resonancias eléctricas como magnéticas, demostrando propiedades completamente nuevas en comparación con las nanopartículas metálicas desnudas si las resonancias están diseñadas adecuadamente.
Células de película metálica
Otros métodos que utilizan plasmones superficiales para cosechar energía solar están disponibles.Otro tipo de estructura es tener una película delgada de silicio y una capa delgada de metal depositada en la superficie inferior. La luz viajará a través del silicio y generarás plasmones superficiales en la interfaz del silicio y el metal. Esto genera campos eléctricos dentro del silicio ya que los campos eléctricos no viajan muy lejos en los metales. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, los electrones se pueden mover y recolectar para producir una fotocorriente.La delgada película de metal en este diseño debe tener ranuras de tamaño nanométrico que actúen como guías de onda para la luz entrante con el fin de excitar tantos fotones en la película delgada de silicio como sea posible.
Principios
General
Cuando un fotón se excita en el sustrato de una célula solar, se separan un electrón y un agujero.Una vez que los electrones y los agujeros están separados, querrán recombinarse ya que son de carga opuesta. Si los electrones se pueden recoger antes de que esto ocurra, se pueden usar como corriente para un circuito externo. Diseñar el grosor de una célula solar siempre es una compensación entre minimizar esta recombinación (capas más delgadas) y absorber más fotones (capa más gruesa).
Nanopartículas
Dispersión y absorción
Los principios básicos para el funcionamiento de las células solares potenciadas con plasmónicos incluyen la dispersión y la absorción de la luz debido a la deposición de nanopartículas metálicas. El silicio no absorbe la luz muy bien. Por esta razón, es necesario dispersar más luz en la superficie para aumentar la absorción. Se ha descubierto que las nanopartículas metálicas ayudan a dispersar la luz entrante a través de la superficie del sustrato de silicio. Las ecuaciones que gobiernan la dispersión y absorción de la luz se pueden mostrar como:
Esto muestra la dispersión de la luz para las partículas que tienen diámetros por debajo de la longitud de onda de la luz.
Esto muestra la absorción para un modelo de dipolo de punto.
Esta es la polarizabilidad de la partícula. V es el volumen de la partícula.
En la ecuación anterior, {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} es la frecuencia de plasma masiva. Esto se define como:
Dependencia de la longitud de onda
La resonancia de plasmón superficial depende principalmente de la densidad de electrones libres en la partícula. El orden de densidades de electrones para diferentes metales se muestra a continuación junto con el tipo de luz que corresponde a la resonancia.
Aluminio – Ultravioleta
Plata – Ultravioleta
Oro – Visible
Cobre – Visible
Si se varía la constante dieléctrica para el medio de inclusión, la frecuencia de resonancia puede cambiarse. Los índices de refracción más altos llevarán a una frecuencia de longitud de onda más larga.
Atrapamiento de luz
Las nanopartículas metálicas se depositan a una distancia del sustrato para atrapar la luz entre el sustrato y las partículas. Las partículas están incrustadas en un material en la parte superior del sustrato. El material es típicamente un dieléctrico, como el silicio o el nitruro de silicio. Al realizar experimentos y simulaciones sobre la cantidad de luz dispersada en el sustrato debido a la distancia entre la partícula y el sustrato, se utiliza aire como material de inclusión como referencia. Se ha encontrado que la cantidad de luz radiada en el sustrato disminuye con la distancia desde el sustrato. Esto significa que las nanopartículas en la superficie son deseables para irradiar luz hacia el sustrato, pero si no hay distancia entre la partícula y el sustrato, entonces la luz no queda atrapada y se escapa más luz.
Los plasmones superficiales son las excitaciones de los electrones de conducción en la interfaz del metal y el dieléctrico. Las nanopartículas metálicas se pueden usar para acoplar y atrapar libremente las ondas planas de propagación en la capa de película delgada del semiconductor. La luz se puede plegar en la capa absorbente para aumentar la absorción. Los plasmones de superficie localizados en nanopartículas de metal y los polaritones de plasmón de superficie en la interfaz de metal y semiconductor son de interés en la investigación actual. En documentos publicados recientemente, la forma y el tamaño de las nanopartículas metálicas son factores clave para determinar la eficacia del enganche. Las partículas más pequeñas tienen mayor eficiencia de enganche debido al acoplamiento mejorado de campo cercano. Sin embargo, las partículas muy pequeñas sufren grandes pérdidas óhmicas.
Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. Los efectos simultáneos del plasmón óptico y del plasmón eléctrico de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de nanopartículas.
Película de metal
Como la luz incide sobre la superficie de la película de metal, excita los plasmones superficiales. La frecuencia de plasmón superficial es específica para el material, pero a través del uso de rejillas en la superficie de la película, se pueden obtener diferentes frecuencias. Los plasmones de superficie también se conservan mediante el uso de guías de ondas, ya que hacen que los plasmones de superficie sean más fáciles de desplazar sobre la superficie y las pérdidas debidas a la resistencia y la radiación se minimizan. El campo eléctrico generado por el plasmones de superficie influye en los electrones para viajar hacia el sustrato de recolección.
Materiales
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación |
|---|---|---|
| Silicio monocristalino | CuInSe2 | Fosfuro de indio y galio |
| Silicio multicristalino | silicio amorfo | Arseniuro de indio y galio |
| Silicio policristalino | película delgada cristalina Si | Germanio |
Aplicaciones
Las aplicaciones para las células solares potenciadas con plasmónicos son infinitas. La necesidad de contar con células solares más económicas y eficientes es enorme. Para que las células solares se consideren rentables, necesitan proporcionar energía a un precio menor que el de las fuentes de energía tradicionales como el carbón y la gasolina. El movimiento hacia un mundo más verde ha ayudado a impulsar la investigación en el área de las células solares potenciadas con plasmónicos.Actualmente, las células solares no pueden superar eficiencias de alrededor del 30% (primera generación). Con las nuevas tecnologías (tercera generación), se pueden esperar eficiencias de hasta 40-60%. Con una reducción de materiales mediante el uso de tecnología de película delgada (segunda generación), los precios pueden reducirse.
Ciertas aplicaciones para las células solares potenciadas con plasmónicos serían para vehículos de exploración espacial. Una contribución principal para esto sería el peso reducido de las células solares. Una fuente de combustible externa tampoco sería necesaria si se pudiera generar suficiente energía a partir de las células solares. Esto ayudaría drásticamente a reducir el peso también.
Las células solares tienen un gran potencial para ayudar a la electrificación rural. Se estima que dos millones de aldeas cerca del ecuador tienen acceso limitado a la electricidad y los combustibles fósiles y que aproximadamente el 25% de las personas en el mundo no tienen acceso a la electricidad. Cuando se compara el costo de extender las redes eléctricas, el funcionamiento de la electricidad rural y el uso de generadores diesel con el costo de las células solares, muchas veces las células solares ganan. Si la eficiencia y el costo de la tecnología actual de células solares se reduce aún más, entonces muchas comunidades rurales y pueblos de todo el mundo podrían obtener electricidad cuando los métodos actuales están fuera de cuestión. Las aplicaciones específicas para las comunidades rurales serían sistemas de bombeo de agua, suministro eléctrico residencial y alumbrado público. Una aplicación particularmente interesante sería para los sistemas de salud en países donde los vehículos motorizados no son demasiado abundantes. Las células solares podrían usarse para proporcionar energía para refrigerar medicamentos en refrigeradores durante el transporte.
Las células solares también podrían proporcionar energía a faros, boyas o incluso barcos de guerra en el océano. Las empresas industriales podrían usarlos para alimentar sistemas de telecomunicaciones o monitorear y controlar sistemas a lo largo de tuberías u otros sistemas.
Si las células solares pudieran producirse a gran escala y ser rentables, entonces podrían construirse estaciones de energía completas para proporcionar energía a las redes eléctricas. Con una reducción en el tamaño, podrían implementarse tanto en edificios comerciales como residenciales con una huella mucho más pequeña. Puede que ni siquiera parezcan una monstruosidad.
Otras áreas están en sistemas híbridos. Las células solares podrían ayudar a impulsar dispositivos de alto consumo, como los automóviles, a fin de reducir la cantidad de combustibles fósiles utilizados y ayudar a mejorar las condiciones ambientales de la tierra.
En los dispositivos electrónicos de consumo, las células solares podrían usarse para reemplazar las baterías por componentes electrónicos de baja potencia. Esto ahorraría mucho dinero a todos y también ayudaría a reducir la cantidad de residuos que ingresan a los vertederos.
Avances recientes
Elección de nanopartículas metálicas plasmónicas
La elección adecuada de nanopartículas metálicas plasmáticas es crucial para la máxima absorción de luz en la capa activa. Las nanopartículas ubicadas en la superficie frontal Ag y Au son los materiales más ampliamente utilizados debido a sus resonancias de plasmón de superficie ubicadas en el rango visible y por lo tanto interactúan más fuertemente con la intensidad solar máxima. Sin embargo, tales nanopartículas de metales nobles introducen siempre una reducción del acoplamiento de la luz en Si a las longitudes de onda cortas por debajo de la resonancia de plasmón superficial debido al efecto Fano perjudicial, es decir, la interferencia destructiva entre la luz dispersada y no dispersada. Además, las nanopartículas de metales nobles son poco prácticas de implementar para la fabricación de células solares a gran escala debido a su alto costo y escasez en la corteza terrestre. Recientemente, Zhang et al. han demostrado las nanopartículas Al de bajo costo y materiales abundantes en la Tierra para poder superar a las nanopartículas de Ag y Au ampliamente utilizadas. Las nanopartículas de Al, con sus resonancias de plasmón de superficie ubicadas en la región UV por debajo del límite del espectro solar deseado a 300 nm, pueden evitar la reducción e introducir mejoras adicionales en el rango de longitud de onda más corta.
Forma de elección de nanopartículas
Nanoesfera
Nanostar
Nanopartícula núcleo-capa
Nanodisk
Nanocavidad
Nanovoid
Nanopartícula nucleada
Nanocage
Atrapamiento de luz
Como se discutió anteriormente, ser capaz de concentrar y dispersar la luz a través de la superficie de la célula solar potenciada con plasmónicos ayudará a aumentar la eficiencia. Recientemente, la investigación en Sandia National Laboratories ha descubierto una guía de ondas fotónicas que recoge la luz a una cierta longitud de onda y la atrapa dentro de la estructura. Esta nueva estructura puede contener el 95% de la luz que entra, en comparación con el 30% de otras guías de onda tradicionales. También puede dirigir la luz dentro de una longitud de onda que es diez veces mayor que las guías de onda tradicionales. La longitud de onda que captura este dispositivo se puede seleccionar cambiando la estructura del enrejado que comprende la estructura. Si esta estructura se utiliza para atrapar la luz y mantenerla en la estructura hasta que la célula solar pueda absorberla, la eficiencia de la célula solar podría aumentar drásticamente.
Absorción
Otro avance reciente en las células solares potenciadas con plasmónicos es el uso de otros métodos para ayudar en la absorción de la luz. Una forma de investigar es el uso de cables de metal en la parte superior del sustrato para dispersar la luz. Esto ayudaría al utilizar un área más grande de la superficie de la celda solar para la dispersión y absorción de la luz. El peligro de usar líneas en lugar de puntos sería crear una capa reflectante que rechazaría la luz del sistema. Esto es muy indeseable para las células solares. Esto sería muy similar al enfoque de la película delgada de metal, pero también utiliza el efecto de dispersión de las nanopartículas. Yue, et al. utilizó un tipo de materiales nuevos, llamados aislantes topológicos, para aumentar la absorción de las células solares a-Si ultradelgadas. La nanoestructura del aislador topológico tiene una configuración intrínsecamente núcleo-carcasa. El núcleo es dieléctrico y tiene un índice de refracción ultra alto. El caparazón es metálico y admite resonancias de plasmón de superficie. Mediante la integración de las matrices de nanoconos en las células solares de película delgada a-Si, se predijo una mejora del 15% de la absorción de la luz en los rangos de ultravioleta y visible.
Tercera generación
El objetivo de las células solares de tercera generación es aumentar la eficiencia utilizando células solares de segunda generación (película delgada) y utilizando materiales que se encuentran abundantemente en la tierra. Este también ha sido un objetivo de las células solares de película delgada. Con el uso de materiales comunes y seguros, las células solares de tercera generación deberían poder fabricarse en cantidades masivas, reduciendo aún más los costos. Los costos iniciales serían altos para producir los procesos de fabricación, pero después de eso deberían ser baratos. La forma en que las células solares de tercera generación podrán mejorar la eficiencia es para absorber un rango más amplio de frecuencias. La tecnología actual de película delgada se ha limitado a una frecuencia debido al uso de dispositivos de banda única.
Múltiples niveles de energía
La idea de las células solares con múltiples niveles de energía es apilar básicamente células solares de película delgada una encima de la otra. Cada célula solar de película delgada tendría una banda prohibida diferente, lo que significa que si parte de el espectro solar no fuera absorbido por la primera célula, entonces el que está justo debajo podría absorber parte del espectro. Estos pueden apilarse y se puede usar un espacio de banda óptimo para cada celda a fin de producir la máxima cantidad de energía. Las opciones para la conexión de cada celda están disponibles, como en serie o en paralelo. La conexión serial es deseada porque la salida de la célula solar sería solo dos derivaciones.
La estructura reticular en cada una de las celdas de película delgada debe ser la misma. Si no es así, habrá pérdidas. Los procesos utilizados para depositar las capas son complejos. Incluyen Epitaxy Molecular Beam y Metal Organic Vapor Phase Epitaxy. El registro de eficiencia actual se realiza con este proceso, pero no tiene constantes de celosía coincidentes exactas. Las pérdidas debidas a esto no son tan efectivas porque las diferencias en las redes permiten un material de banda prohibida más óptimo para las dos primeras células. Se espera que este tipo de célula sea 50% eficiente.
También se están investigando materiales de menor calidad que utilizan procesos de deposición más económicos. Estos dispositivos no son tan eficientes, pero el precio, el tamaño y la potencia combinados les permiten ser igual de rentables. Como los procesos son más simples y los materiales están más disponibles, la producción masiva de estos dispositivos es más económica.
Células de soporte caliente
Un problema con las células solares es que los fotones de alta energía que golpean la superficie se convierten en calor. Esta es una pérdida para la célula porque los fotones entrantes no se convierten en energía utilizable. La idea detrás de la célula portadora caliente es utilizar parte de esa energía entrante que se convierte en calor. Si los electrones y los agujeros se pueden recoger en caliente, se puede obtener un voltaje más alto de la celda. El problema al hacer esto es que los contactos que recogen los electrones y los agujeros enfriarán el material. Hasta ahora, evitar que los contactos enfríen la célula ha sido teórico. Otra forma de mejorar la eficiencia de la célula solar utilizando el calor generado es tener una célula que permita que fotones de energía más baja exciten pares de electrones y huecos. Esto requiere un pequeño intervalo de banda. Utilizando un contacto selectivo, los electrones y los agujeros de menor energía se pueden recoger al mismo tiempo que se permite que los de mayor energía continúen moviéndose a través de la celda. Los contactos selectivos se realizan utilizando una estructura de túnel resonante de doble barrera. Los portadores se enfrían y se dispersan con fonones. Si se trata de un material con una gran banda prohibida de fonones, los portadores transportarán más calor al contacto y no se perderá en la estructura reticular. Un material que tiene una gran banda prohibida de fonones es el nitruro de indio. Las células portadoras calientes están en su infancia pero están comenzando a moverse hacia la etapa experimental.
Células solares termoeléctricas
Al tener características únicas de resonancias sintonizables y una mejora de campo cercano sin precedentes, plasmon es una técnica habilitadora para el manejo de la luz. Recientemente, las prestaciones de las células solares de capa fina se han mejorado notablemente mediante la introducción de nanoestructuras metálicas. Las mejoras se atribuyen principalmente a los efectos ópticos plasmónicos para manipular la propagación, la absorción y la dispersión de la luz. Los efectos ópticos plasmónicos podrían: (1) aumentar la absorción óptica de los materiales activos; (2) redistribuye espacialmente la absorción de luz en la capa activa debido a la mejora localizada de campo cercano alrededor de nanoestructuras metálicas. Excepto por los efectos ópticos plasmónicos, los efectos de la recombinación plasméticamente modificada, el transporte y la recolección de fotoportadores (electrones y agujeros), en lo sucesivo denominados efectos plasmónico-eléctricos, han sido propuestos por Sha et al. Para aumentar el rendimiento del dispositivo, concibieron una regla de diseño general, adaptada a la relación arbitraria de movilidad entre electrones y huecos, para decidir las rutas de transporte de los fotoportadores. La regla de diseño sugiere que la relación de longitud de transporte entre electrones y orificios debe equilibrarse con la relación de movilidad entre electrones y orificios. En otras palabras, el tiempo de transporte de los electrones y los agujeros (desde los sitios de generación inicial hasta los electrodos correspondientes) debe ser el mismo. La regla de diseño general puede realizarse redistribuyendo espacialmente la absorción de luz en la capa activa de dispositivos (con el efecto plasmónico-eléctrico). También demostraron la ruptura del límite de carga espacial en la célula solar orgánica plasmónica eléctrica. Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. Los efectos simultáneos del plasmón óptico y del plasmón eléctrico de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de nanopartículas.
Células solares de obleas plasmónicas ultrafinas
La reducción del espesor de la oblea de silicio con una pérdida de eficiencia minimizada representa una tendencia dominante en el aumento de la rentabilidad de las células solares basadas en obleas.Recientemente, Zhang et al. han demostrado que, utilizando la estrategia avanzada de captura de luz con una arquitectura de nanopartículas diseñada adecuadamente, el grosor de la oblea se puede reducir drásticamente a solo 1/10 del grosor actual (180 μm) sin ninguna pérdida de eficiencia de la célula solar al 18,2%. Las celdas solares ultrafinas integradas en nanopartículas con solo el 3% del grosor actual de la oblea pueden alcanzar potencialmente el 15.3% de eficiencia combinando la mejora de la absorción con el beneficio de un incremento de voltaje de circuito abierto inducido por la oblea más delgada. Esto representa un 97% de ahorro de material con solo un 15% de pérdida de eficiencia relativa. Estos resultados demuestran la viabilidad y la posibilidad de lograr células de obleas de silicio ultrafinas de alta eficiencia con atrapamiento de luz plasmónica.