プラズモン増強太陽電池は、プラズモンの助けによって光を電気に変換する太陽電池（薄膜、結晶シリコン、アモルファスシリコン、および他の種類のセルを含む）の一種である。 厚さは、従来のシリコンPVの厚さから2μm未満まで変化し、理論的には100nmほど薄くすることができる。 ガラス、プラスチック、スチールなど、シリコンよりも安価な基板を使用できます。 薄膜太陽電池の課題の1つは、同じ吸収係数を有する材料で作られたより厚い太陽電池ほど多くの光を吸収しないことです。 光閉じ込めのための方法は、薄膜太陽電池にとって重要である。 プラズモン増強細胞は、表面プラズモン共鳴で励起された金属ナノ粒子を用いて光を散乱させることによって吸収を改善する。 プラズモン共鳴周波数における入射光は、ナノ粒子の表面で電子振動を誘発する。 振動電子は、電流を生成する導電層によって捕捉することができる。 生成される電圧は、導電層のバンドギャップおよびナノ粒子と接触する電解質の電位に依存する。 この技術がプラズモン増強太陽電池の完全な可能性と商業化に到達するためには、まだかなりの研究が必要である。

歴史

デバイス
現在、3つの異なる世代の太陽電池が存在する。 第1世代（現在市場にあるもの）は、結晶シリコンが「93％までの市場シェアと2016年に設置された約75GW」の結晶性半導体ウェハで作られています。 現在の太陽電池は、ほとんどの薄膜太陽電池よりも大きい寸法を有する表面上にピラミッドを形成することによって光を捕捉する。 入射波長のオーダーの寸法を有する基板を粗く（典型的には表面上にSnO 2またはZnOを成長させることによって）粗くし、SCを上に堆積させることが検討されている。 この方法は光電流を増加させるが、薄膜太陽電池は材料品質が悪くなる。

第二世代太陽電池は、ここに提示されているような薄膜技術に基づいています。 これらの太陽電池は、エネルギー生産を増加させるだけでなく、使用される材料の量を減らすことに焦点を当てている。 現在、第3世代太陽電池が研究されている。 彼らは、第2世代の太陽電池のコストを削減することに焦点を当てています。 第3世代SCについては、最近の進歩の下でより詳細に議論されている。

設計
プラズモン増強型太陽電池の設計は、表面および材料全体に光を閉じ込めて散乱させるために使用される方法に依存して変化する。

ナノ粒子細胞
一般的な設計は、太陽電池の表面の上面に金属ナノ粒子を堆積させることである。 光が表面プラズモン共鳴でこれらの金属ナノ粒子に当たると、光は多くの異なる方向に散乱する。 これにより、光が太陽電池に沿って移動し、基板とナノ粒子との間で跳ね返り、太陽電池がより多くの光を吸収することを可能にする。 金属ナノ粒子の局在化した表面プラズモンによって誘導される集中した近接場強度は、半導体の光吸収を促進する。 近年、ナノ粒子のプラズモン非対称モードは、広帯域光吸収に有利であり、太陽電池の電気的特性を促進することを見出している。 ナノ粒子のプラズモン光学的およびプラズモン電気的な効果は、ナノ粒子プラズモンの有望な特徴を明らかにする。

最近、コア（金属）シェル（誘電体）ナノ粒子は、表面プラズモンが太陽電池の前に位置する場合に、Si基板上での前方散乱が増強されたゼロ後方散乱を示した。 コア – シェルナノ粒子は、電気共鳴および磁気共鳴の両方を同時に支持することができ、共鳴が適切に設計されていれば、裸の金属ナノ粒子と比較して全く新しい特性を示す。

金属フィルム電池
太陽エネルギーを収穫するために表面プラズモンを利用する他の方法も利用可能である。 もう1つのタイプの構造は、シリコンの薄膜と、その下面に堆積された金属の薄い層とを有することである。 光はシリコンを通って進み、シリコンと金属の界面に表面プラズモンを生成する。 これは、電界が金属の中にあまり遠くに移動しないので、シリコンの内部に電界を生成する。 電場が十分に強い場合、電子を移動させて収集して光電流を生成することができる。 この設計の金属薄膜は、可能な限りシリコン薄膜中に多くの光子を励起するために、入射光のための導波路として作用するナノメートルサイズの溝を有さなければならない。

原則

一般
光子が太陽電池の基板内で励起されると、電子と正孔が分離される。 電子と正孔が分離されると、それらは逆の電荷であるため、再結合したいと考えます。 このような事態が発生する前に電子を集めることができれば、外部回路の電流として使用することができます。 太陽電池の厚さを設計することは、この再結合（薄い層）を最小化し、より多くの光子（より厚い層）を吸収することとの間のトレードオフである。

ナノ粒子

散乱と吸収
プラズモン増強型太陽電池の機能の基本原理は、金属ナノ粒子の堆積による光の散乱および吸収を含む。 シリコンは光をよく吸収しません。 この理由から、吸収を増加させるために、より多くの光を表面にわたって散乱させる必要がある。 金属ナノ粒子は、入射光をシリコン基板の表面にわたって散乱させるのに役立つことが分かっている。 光の散乱と吸収を支配する式は、次のように示されます。

これは、光の波長以下の直径を有する粒子に対する光の散乱を示す。

これは、ポイントダイポールモデルの吸収を示しています。

これは粒子の分極率です。 Vは粒子の体積である。  粒子の誘電関数である。  埋め込み媒体の誘電関数である。 いつ  粒子の分極率が大きくなる。 この分極率の値は、表面プラズモン共鳴として知られている。 低吸収金属の誘電関数は、次のように定義することができる。

前の方程式では、{\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p}はバルクプラズマ周波数​​です。 これは次のように定義されます。

Nは自由電子密度、eは電子電荷、mは電子の有効質量である。  自由空間の誘電率です。 したがって、自由空間における表面プラズモン共鳴の方程式は、

一例として、銀ナノ粒子の表面プラズモン共鳴では、散乱断面積はナノ粒子の断面の約10倍である。 ナノ粒子の目的は、SCの表面に光をトラップすることである。 光の吸収はナノ粒子にとって重要ではなく、SCにとって重要である。 ナノ粒子のサイズを大きくすると、散乱断面積が大きくなると考えられる。 しかしながら、これは事実であるが、ナノ粒子のサイズと比較して、比（  ） 削減されます。 大きな散乱横断面を有する粒子は、より広いプラズモン共鳴範囲を有する傾向がある。

波長依存性
表面プラズモン共鳴は、主に粒子中の自由電子の密度に依存する。 異なる金属の電子の密度の順番を、共鳴に対応する光のタイプとともに以下に示す。

アルミニウム – 紫外線
シルバー – 紫外線
金 – 目に見える
銅 – 可視
埋め込み媒体の誘電率を変化させると、共振周波数をシフトさせることができる。 より高い屈折率は、より長い波長周波数につながる。

光トラップ
金属ナノ粒子は、基板と粒子との間に光をトラップするために、基板からある距離をおいて堆積される。 粒子は基材の上の材料に埋め込まれる。 この材料は、典型的には、シリコンまたは窒化シリコンのような誘電体である。 粒子と基板との距離により基板に飛散する光の量を実験やシミュレーションする際には、埋め込み材料として空気を基準とする。 基板内に放射される光の量は、基板から遠ざかるにつれて減少することが分かっている。 これは、表面上のナノ粒子が基板に光を放射するのに望ましいことを意味するが、粒子と基板との間に距離がない場合、光は閉じ込められず、より多くの光が逃げる。

表面プラズモンは、金属と誘電体との界面における伝導電子の励起である。 金属ナノ粒子は、自由に伝搬する平面波を結合して半導体薄膜層にトラップするために使用することができる。 光を吸収層内に折り畳むことで、吸収を増加させることができる。 金属ナノ粒子中の局在した表面プラズモンおよび金属と半導体の界面における表面プラズモンポラリトンは、現在の研究において重要である。 最近報告された論文では、金属ナノ粒子の形状およびサイズが、インカップリング効率を決定する重要な要因である。 より小さい粒子は、強化された近接場結合のために、より大きなインカップリング効率を有する。 しかしながら、非常に小さな粒子は大きなオーミック損失を被る。

近年、ナノ粒子のプラズモン非対称モードは、広帯域光吸収に有利であり、太陽電池の電気的特性を促進することを見出している。 ナノ粒子のプラズモン光学的およびプラズモン電気的な効果は、ナノ粒子プラズモンの有望な特徴を明らかにする。

金属フィルム
光が金属膜の表面に入射すると、表面プラズモンを励起する。 表面プラズモン周波数は材料に特有であるが、フィルムの表面上に格子を使用することにより、異なる周波数が得られる。 表面プラズモンは表面上を移動しやすくなり、抵抗および放射による損失が最小限に抑えられるので、導波路の使用によって表面プラズモンも保存される。 表面プラズモンによって生成された電界は、電子に影響して収集基板に向かって移動する。

材料

アプリケーション
プラズモン増強太陽電池の用途は無限である。 より安価で効率的な太陽電池の必要性は大きい。 太陽電池をコスト効率の高いものと考えるためには、石炭やガソリンなどの従来の電源よりも安い価格でエネルギーを供給する必要があります。 より緑色の世界への動きは、プラズモン増強型太陽電池の分野における研究を刺激するのに役立っています。 現在、太陽電池は約30​​％（第1世代）の効率を超えることはできません。 新技術（第3世代）では、最大40〜60％の効率が期待できます。 薄膜技術（第2世代）の使用による材料の削減により、価格を引き下げることができます。

プラズモン増強型太陽電池の用途の中には、宇宙探査用のものがあります。 これに対する主な貢献は、太陽電池の軽量化であろう。 太陽電池から十分な電力を得ることができれば、外部燃料源も必要ではない。 これは大幅に重量を減らすのにも大いに役立ちます。

太陽電池は地方の電化を助ける大きな可能性を秘めています。 赤道付近の推定200万の村では、電力や化石燃料へのアクセスが制限されており、世界の約25％の人々が電力にアクセスできません。電力網を拡張し、田舎の電気を流し、ディーゼル発電機を使用するコストが太陽電池のコストと比較されると、何度も太陽電池が勝つ。 現在の太陽電池技術の効率とコストがさらに低下すれば、現在の方法が問題にならない場合、世界中の多くの農村地域や村が電力を得ることができます。 田舎のコミュニティのための特定のアプリケーションは、水ポンプシステム、居住用電源、街灯です。特に興味深いのは、電動車両が過度に豊富ではない国の保健システムである。 太陽電池は、輸送中に冷却器内の薬剤を冷却するための力を提供するために使用することができる。

太陽電池はまた、灯台、ブイ、または海域の戦艦にも電力を供給することができます。 産業界の企業は、電力線通信システムや、パイプラインやその他のシステムに沿った監視システムや制御システムに電力を供給することができます。

太陽電池が大規模に生産され、費用対効果の高いものであれば、電気グリッドに電力を供給するために全発電所を建設することができる。 サイズの縮小により、商業用建物と住宅用建物の両方で実装面積をはるかに小さくすることができます。 彼らは目障りのように見えないかもしれません。

他の分野はハイブリッドシステムにあります。 太陽電池は、使用される化石燃料の量を減らし、地球の環境条件を改善するために、自動車のような高消費装置に電力を供給するのに役立つ可能性がある。

家電製品のデバイスでは、ソーラーセルを使用して、低電力エレクトロニクス用のバッテリーを交換することができます。 これは誰にでもたくさんのお金を節約し、廃棄物の埋立処分量を減らすのにも役立ちます。

最近の進歩
プラズモン金属ナノ粒子の選択
プラズマ金属ナノ粒子の適切な選択は、活性層における最大の光吸収にとって重要である。 前面に位置するナノ粒子のAgおよびAuは、可視領域に位置する表面プラズモン共鳴のために最も広く使用される材料であり、したがって、ピーク太陽強度とより強く相互作用する。 しかしながら、このような貴金属ナノ粒子は、有害なFano効果、すなわち散乱光と非散乱光との間の破壊的干渉のために、表面プラズモン共鳴よりも短い短波長でSiへの光結合を常に弱めている。 さらに、貴金属ナノ粒子は、地球の地殻における高コストおよび希少性のために、大規模太陽電池製造のために実施するのは実際的ではない。 最近、Zhangらは、 広く使用されているAgおよびAuナノ粒子よりも優れた性能を発揮するために、低コストで豊富なAlナノ粒子材料を実証しています。 Alナノ粒子は、その表面プラズモン共鳴が300nmの所望の太陽スペクトル端よりも低いUV領域に位置するので、低減を回避し、より短い波長範囲において余分な増強を導入することができる。

ナノ粒子の形状選択
ナノスフィア
ナノスター
コア – シェルナノ粒子
ナノディスク
ナノキャビティ
ナノボイド
核ナノ粒子
Nanocage
光トラップ

前述したように、プラズモン増強太陽電池の表面全体に光を集中させて散乱させることは、効率を高めるのに役立つ。 最近、Sandia National Laboratoriesの研究では、ある波長の光を集めて構造内に閉じ込めるフォトニック導波路が発見されました。 この新しい構造は、それが入っている光の95％を含むことができ、他の伝統的な導波路の場合は30％である。 また、従来の導波路の10倍の1波長内に光を向けることができます。 このデバイスが取り込む波長は、構造を構成する格子の構造を変えることによって選択できます。 この構造を用いて光を捕捉し、太陽電池がそれを吸収するまで構造内に保持すると、太陽電池の効率が劇的に上昇する可能性がある。

吸収
プラズモン増強太陽電池の別の最近の進歩は、光の吸収を助ける他の方法を使用している。 研究されている1つの方法は、光を散乱させるために基板の上に金属ワイヤを使用することである。 これは、光の散乱および吸収のために太陽電池の表面のより大きな領域を利用することによって役立つであろう。 点の代わりに線を使用する危険性は、システムからの光を拒否する反射層を作り出すことになります。 これは、太陽電池にとっては非常に望ましくない。 これは金属薄膜アプローチと非常によく似ていますが、ナノ粒子の散乱効果も利用しています。 Yue、et al。 超薄型a-Si太陽電池の吸収を高めるために、トポロジカル絶縁体と呼ばれる一種の新しい材料を使用しました。 トポロジーインシュレータナノ構造は、本質的にコア – シェル構成を有する。 コアは誘電体であり、超高屈折率を有する。 シェルは金属であり、表面プラズモン共鳴をサポートする。 ナノコーンアレイをa-Si薄膜太陽電池に統合することにより、紫外および可視領域で光吸収の最大15％の増強が予測された。

第3世代
第3世代太陽電池の目標は、第2世代の太陽電池（薄膜）を使用して効率を高め、地球上に豊富に存在する材料を使用することです。 これはまた、薄膜太陽電池の目標でもあった。 一般的で安全な材料を使用することで、第3世代の太陽電池は、量をさらに減らしてコストを削減することができるはずです。 製造プロセスを生産するためには初期コストが高くなるが、その後は安価でなければならない。 第3世代太陽電池が効率を向上させる方法は、より広い周波数範囲を吸収することです。 現在の薄膜技術は、単一バンドギャップデバイスの使用のために1つの周波数に制限されている。

複数のエネルギーレベル
複数のエネルギーレベルの太陽電池の考え方は、基本的に薄膜太陽電池を互いに積み重ねることです。 各薄膜太陽電池は、異なるバンドギャップを有する。これは、太陽スペクトルの一部が第1のセルによって吸収されなかった場合、すぐ下にあるものがスペクトルの一部を吸収することができることを意味する。 これらは積み重ねることができ、最大量の電力を生成するために各セルに最適なバンドギャップを使用することができる。 シリアルまたはパラレルなど、各セルの接続方法を選択できます。 直列接続は、太陽電池の出力がちょうど2つのリードになるため望ましい。

各薄膜セルの格子構造は同じである必要がある。 そうでなければ、損失が生じるでしょう。 層を堆積するために使用されるプロセスは複雑である。 それらには、分子線エピタキシーおよび金属有機気相エピタキシーが含まれる。 現在の効率記録は、このプロセスで作成されますが、正確に一致する格子定数はありません。 このことによる損失は、格子の違いが最初の2つのセルにとってより最適なバンドギャップ材料を可能にするので、それほど効果的ではない。 このタイプのセルは50％の効率が期待できます。

より安価な堆積プロセスを使用する低品質材料も同様に研究されている。 これらのデバイスは効率的ではありませんが、価格、サイズ、電力を合わせることで、費用対効果に優れています。 プロセスがより簡単であり、材料がより容易に入手できるので、これらのデバイスの大量生産はより経済的である。

ホットキャリアセル
太陽電池の問題は、表面に衝突する高エネルギーの光子が熱に変換されることです。 入射光子は使用可能なエネルギーに変換されないため、これはセルの損失です。 ホットキャリアセルの背後にあるアイデアは、熱に変換されるその入来エネルギーの一部を利用することである。 熱いうちに電子と正孔を収集することができれば、セルからより高い電圧を得ることができる。 これを行う際の問題は、電子と正孔を集める接点が材料を冷却することである。 これまでは、コンタクトをセルの冷却から保護することが理論的でした。 生成された熱を用いて太陽電池の効率を改善する別の方法は、より低いエネルギーの光子が電子と正孔の対を励起することを可能にするセルを有することである。 これには小さなバンドギャップが必要です。 選択的な接触を使用して、より低いエネルギーの電子および正孔を収集することができる一方、より高いエネルギーの電子およびセルを継続して移動させることができる。 選択的コンタクトは、二重障壁共鳴トンネリング構造を用いて作製される。 キャリアは、フォノンで散乱して冷却される。 大きなバンドギャップのフォノンを有する材料の場合、キャリアは接点に多くの熱を伝達し、格子構造内で失われない。 フォノンの大きなバンドギャップを有する1つの材料は、窒化インジウムである。 ホットキャリア細胞は初期段階にありますが、実験段階に移行し始めています。

プラズモニック – 電気太陽電池
同調可能な共鳴と前例のない近接場増強の独特の特徴を有するプラズモンは、光管理のための可能な技術である。 近年、金属ナノ構造の導入により、薄膜太陽電池の性能が飛躍的に向上している。この改善は、主に、光の伝搬、吸収、および散乱を操作するためのプラズモン光学効果に起因する。 プラズモニック光学効果は、（1）活性物質の光吸収を高めること、 （2）金属ナノ構造周辺の局所的な近接場増強のために、活性層で光吸収を空間的に再分配する。 プラズモニック光学的効果を除いて、プラズモン的に改変された組換え、輸送および光キャリア（電子および正孔）の収集の作用（以下、プラズモン電気効果と称する）が、Shaらによって提案されている。 デバイスの性能を高めるために、彼らは光キャリアの輸送経路を決定するために、任意の電子対正孔移動度比に合わせた一般的なデザインルールを考え出した。 デザインルールは、電子対正孔輸送長比が電子対正孔移動度比と均衡することを示唆している。 換言すれば、電子および正孔（初期発生部位から対応する電極まで）の輸送時間は同じでなければならない。 一般的なデザインルールは、デバイスの活性層における光吸収を空間的に再分布させることによって実現することができる（プラズモン電気効果を伴う）。 彼らはまた、プラズモン – 電気有機太陽電池における空間電荷限界の破壊を実証した。 近年、ナノ粒子のプラズモン非対称モードは、広帯域光吸収に有利であり、太陽電池の電気的特性を促進することを見出している。 ナノ粒子のプラズモン光学的およびプラズモン電気的な効果は、ナノ粒子プラズモンの有望な特徴を明らかにする。

超薄型プラズモンウエハー太陽電池
最小限の効率損失でシリコンウェーハの厚さを減少させることは、ウェーハベースの太陽電池のコスト効率を増加させる主流の傾向を表す。 最近、Zhangらは、 適切に設計されたナノ粒子アーキテクチャを用いた高度な光捕捉戦略を用いて、18.2％の太陽電池効率損失なしに、現在の厚さ（180μm）の約1/10に劇的に減少させることができることを実証している。 現在のウェーハの厚さのわずか3％のナノ粒子集積超薄型太陽電池は、潜在的に、吸収増強と組み合わせて15.3％の効率を実現し、より薄いウェーハ誘導開回路電圧増加の利点をもたらす。 これは97％の材料節約に相当し、相対効率損失はわずか15％です。 これらの結果は、プラズモニック光トラップを有する高効率の超薄型シリコンウエハーセルを実現する可能性と見込みを示している。