Uma célula solar plasmônica é um tipo de célula solar (incluindo silício cristalino, silício cristalino, silício amorfo e outros tipos de células) que convertem luz em eletricidade com a ajuda de plasmons. A espessura varia do tradicional silício PV, a menos de 2 μm de espessura e, teoricamente, pode ser tão fina quanto 100 nm. Eles podem usar substratos mais baratos que o silício, como vidro, plástico ou aço. Um dos desafios para as células solares de película fina é que elas não absorvem tanta luz quanto células solares mais grossas feitas com materiais com o mesmo coeficiente de absorção. Os métodos de captura de luz são importantes para as células solares de filmes finos. Células plasmáticas melhoradas melhoram a absorção espalhando luz usando nanopartículas de metal excitadas em sua superfície de ressonância plasmônica. A luz de entrada na freqüência de ressonância plasmônica induz oscilações de elétrons na superfície das nanopartículas. Os elétrons de oscilação podem então ser capturados por uma camada condutora produzindo uma corrente elétrica. A tensão produzida é dependente do bandgap da camada condutora e do potencial do eletrólito em contato com as nanopartículas. Ainda são necessárias pesquisas consideráveis ​​para permitir que a tecnologia atinja todo o seu potencial e comercialize as células solares plasmônicas.

História

Devices
Atualmente, existem três gerações diferentes de células solares. A primeira geração (atualmente no mercado) é fabricada com placas de semicondutores cristalinas, com silício cristalino “com participação de mercado de até 93% e cerca de 75 GW instalados em 2016”. As células solares atuais prendem a luz criando pirâmides na superfície com dimensões maiores que a maioria das células solares de filme fino. Tornar a superfície do substrato rugosa (tipicamente aumentando SnO2 ou ZnO na superfície) com dimensões na ordem dos comprimentos de onda de entrada e depositando o SC no topo foi explorada. Este método aumenta a fotocorrente, mas as células solares de película fina teriam então uma qualidade pobre do material.

As células solares de segunda geração são baseadas em tecnologias de filmes finos, como as apresentadas aqui. Estas células solares concentram-se em reduzir a quantidade de material usado e aumentar a produção de energia. As células solares de terceira geração estão sendo pesquisadas atualmente. Eles se concentram em reduzir o custo das células solares de segunda geração. Os SCs de terceira geração são discutidos em mais detalhes sob recente avanço.

desenhar
O projeto para as células solares com plasmons varia dependendo do método usado para capturar e espalhar luz pela superfície e pelo material.

Células de nanopartículas
Um projeto comum é depositar nanopartículas metálicas na superfície superior da superfície da célula solar. Quando a luz atinge essas nanopartículas metálicas na ressonância plasmônica da superfície, a luz é espalhada em várias direções diferentes. Isso permite que a luz viaje ao longo da célula solar e salte entre o substrato e as nanopartículas, permitindo que a célula solar absorva mais luz. A intensidade de campo próximo concentrada induzida por plasmon de superfície localizada das nanopartículas metálicas promoverá a absorção óptica de semicondutores. Recentemente, os modos assimétricos plasmonic de nano partículas encontraram para favorecer a absorção ótica de banda larga e promover as propriedades elétricas das células solares. Os efeitos simultâneos plasmônico-óptico e plasmon-elétrico das nanopartículas revelam uma característica promissora do plasma de nanopartículas.

Recentemente, a nanopartícula do núcleo (metal) -shell (dielétrica) demonstrou um espalhamento para trás com espalhamento para frente aprimorado no substrato de Si quando o plasmídeo de superfície está localizado na frente de uma célula solar. As nanopartículas de invólucro central podem suportar simultaneamente ressonâncias magnéticas e elétricas, demonstrando propriedades inteiramente novas quando comparadas com nanopartículas metálicas desprotegidas se as ressonâncias forem projetadas adequadamente.

Células de filme de metal
Outros métodos utilizando plasmons de superfície para a coleta de energia solar estão disponíveis.Um outro tipo de estrutura é ter uma película fina de silício e uma fina camada de metal depositada na superfície inferior. A luz percorrerá o silício e gerará plasmons de superfície na interface do silício e do metal. Isso gera campos elétricos dentro do silício, uma vez que os campos elétricos não viajam muito para os metais. Se o campo elétrico for forte o suficiente, os elétrons podem ser movidos e coletados para produzir uma fotocorrente. A película fina de metal neste projeto deve ter ranhuras de tamanho nanométrico que atuam como guias de onda para a luz que entra, a fim de excitar tantos fótons no filme fino de silício quanto possível.

Princípios

Geral
Quando um fóton é excitado no substrato de uma célula solar, um elétron e um buraco são separados. Uma vez que os elétrons e buracos são separados, eles vão querer se recombinar, uma vez que são de carga oposta. Se os elétrons puderem ser coletados antes disso, eles podem ser usados ​​como uma corrente para um circuito externo. Projetar a espessura de uma célula solar é sempre um compromisso entre minimizar essa recombinação (camadas mais finas) e absorver mais fótons (camada mais espessa).

Nanopartículas

Dispersão e Absorção
Os princípios básicos para o funcionamento das células solares plasmáticas melhoradas incluem a dispersão e absorção de luz devido à deposição de nanopartículas metálicas. O silício não absorve muito bem a luz. Por esta razão, mais luz precisa ser espalhada pela superfície para aumentar a absorção. Verificou-se que as nanopartículas de metal ajudam a dispersar a luz que entra através da superfície do substrato de silício. As equações que governam a dispersão e absorção de luz podem ser mostradas como:

Isto mostra a dispersão de luz para partículas que têm diâmetros abaixo do comprimento de onda da luz.

Isso mostra a absorção de um modelo dipolar de ponto.

Esta é a polarizabilidade da partícula. V é o volume de partículas.  é a função dielétrica da partícula.  é a função dielétrica do meio de incorporação. Quando  a polarizabilidade da partícula se torna grande. Este valor de polarizabilidade é conhecido como a ressonância plasmônica de superfície. A função dielétrica para metais com baixa absorção pode ser definida como:

Na equação anterior, {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} é a freqüência de plasma em massa. Isso é definido como:

N é a densidade de elétrons livres, e é a carga eletrônica e m é a massa efetiva de um elétron. é a constante dielétrica do espaço livre. A equação da ressonância plasmônica de superfície no espaço livre pode, portanto, ser representada por:

Como exemplo, na ressonância plasmônica de superfície para uma nanopartícula de prata, a seção transversal de espalhamento é de cerca de 10x a seção transversal da nanopartícula. O objetivo das nanopartículas é capturar a luz na superfície do SC. A absorção de luz não é importante para a nanopartícula, mas é importante para o SC. Alguém poderia pensar que se a nanopartícula é aumentada em tamanho, então a seção transversal de espalhamento se torna maior. Isto é verdade, no entanto, quando comparado com o tamanho da nanopartícula, a relação (  ) É reduzido. Partículas com uma grande seção transversal de espalhamento tendem a ter uma faixa de ressonância plasmônica mais ampla.

Dependência de comprimento de onda
A ressonância plasmônica de superfície depende principalmente da densidade de elétrons livres na partícula. A ordem das densidades de elétrons para metais diferentes é mostrada abaixo junto com o tipo de luz que corresponde à ressonância.

Alumínio – Ultra-violeta
Prata – Ultra-violeta
Ouro – visível
Cobre – Visível
Se a constante dielétrica do meio de incorporação for variada, a frequência de ressonância pode ser alterada. Índices mais altos de refração levarão a uma maior freqüência de comprimento de onda.

Armadilha de luz
As nanopartículas de metal são depositadas a uma certa distância do substrato para prender a luz entre o substrato e as partículas. As partículas são incorporadas em um material no topo do substrato. O material é tipicamente um dielétrico, como silício ou nitreto de silício. Ao realizar experimentos e simulações sobre a quantidade de luz espalhada no substrato devido à distância entre a partícula e o substrato, o ar é usado como material de incorporação como referência.Verificou-se que a quantidade de luz irradiada para o substrato diminui com a distância do substrato.Isto significa que nanopartículas na superfície são desejáveis ​​para irradiar luz para o substrato, mas se não houver distância entre a partícula e o substrato, então a luz não fica presa e mais luz escapa.

Os plasmons de superfície são as excitações dos elétrons de condução na interface do metal e do dielétrico. Nanopartículas metálicas podem ser usadas para acoplar e aprisionar livremente ondas planas na camada de filme fino semicondutor. A luz pode ser dobrada na camada absorvente para aumentar a absorção. Os plasmons de superfície localizada em nanopartículas de metal e os polaritons de plasma de superfície na interface de metal e semicondutor são de interesse na pesquisa atual. Em artigos publicados recentemente, a forma e o tamanho das nanopartículas de metal são fatores-chave para determinar a eficiência de desacoplamento. As partículas menores têm maior eficiência de desacoplamento devido ao acoplamento aprimorado de campo próximo. No entanto, partículas muito pequenas sofrem grandes perdas ôhmicas.

Recentemente, os modos assimétricos plasmonic de nano partículas encontraram para favorecer a absorção ótica de banda larga e promover as propriedades elétricas das células solares. Os efeitos simultâneos plasmônico-óptico e plasmon-elétrico das nanopartículas revelam uma característica promissora do plasma de nanopartículas.

Filme de metal
Como a luz incide sobre a superfície do filme de metal, ele excita os plasmons de superfície. A freqüência plasmônica de superfície é específica para o material, mas através do uso de grades na superfície do filme, diferentes freqüências podem ser obtidas. Os plasmeos de superfie tamb s preservados atrav da utilizao de guias de onda, uma vez que facilitam a percolao dos plasmeos de superfie e as perdas devido resistcia e radiao s minimizadas. O campo elétrico gerado pelos plasmons de superfície influencia os elétrons a se deslocarem em direção ao substrato coletor.

Materiais

Aplicações
As aplicações para as células solares plasmônicas são infinitas. A necessidade de células solares mais baratas e eficientes é enorme. Para que as células solares sejam consideradas econômicas, elas precisam fornecer energia por um preço menor do que o das fontes tradicionais de energia, como o carvão e a gasolina. O movimento em direção a um mundo mais verde ajudou a desencadear pesquisas na área das células solares plasmônicas. Atualmente, as células solares não podem exceder eficiências de cerca de 30% (primeira geração). Com as novas tecnologias (Terceira Geração), podem ser esperadas eficiências de até 40-60%. Com uma redução de materiais através do uso de tecnologia de película fina (segunda geração), os preços podem ser reduzidos.

Certas aplicações para células solares plasmônicas seriam para veículos de exploração espacial.Uma contribuição principal para isso seria o peso reduzido das células solares. Uma fonte de combustível externa também não seria necessária se energia suficiente pudesse ser gerada a partir das células solares. Isso ajudaria drasticamente a reduzir o peso também.

As células solares têm um grande potencial para ajudar na eletrificação rural. Estima-se que dois milhões de aldeias perto do equador tenham acesso limitado a eletricidade e combustíveis fósseis e que aproximadamente 25% das pessoas no mundo não tenham acesso à eletricidade. Quando o custo de ampliar as redes elétricas, a eletricidade rural e o uso de geradores a diesel é comparado com o custo das células solares, muitas vezes as células solares ganham. Se a eficiência e o custo da atual tecnologia de células solares diminuírem ainda mais, muitas comunidades rurais e aldeias ao redor do mundo poderão obter eletricidade quando os métodos atuais estiverem fora de questão.Aplicações específicas para comunidades rurais seriam sistemas de bombeamento de água, fornecimento residencial de eletricidade e iluminação pública. Uma aplicação particularmente interessante seria para sistemas de saúde em países onde os veículos motorizados não são excessivamente abundantes. Células solares poderiam ser usadas para fornecer a energia para refrigerar medicamentos em resfriadores durante o transporte.

As células solares também poderiam fornecer energia para faróis, bóias ou até mesmo navios de guerra no oceano. Empresas industriais poderiam usá-las para alimentar sistemas de telecomunicações ou monitorar e controlar sistemas ao longo de dutos ou outro sistema.

Se as células solares pudessem ser produzidas em grande escala e tivessem uma boa relação custo-benefício, poderíamos construir usinas inteiras para fornecer energia às redes elétricas. Com uma redução no tamanho, eles poderiam ser implementados em edifícios comerciais e residenciais com uma pegada muito menor. Eles podem até não parecer uma monstruosidade.

Outras áreas estão em sistemas híbridos. As células solares poderiam ajudar a alimentar dispositivos de alto consumo, como automóveis, a fim de reduzir a quantidade de combustíveis fósseis usados ​​e ajudar a melhorar as condições ambientais da Terra.

Nos dispositivos eletrônicos de consumo, as células solares poderiam ser usadas para substituir as baterias por eletrônicos de baixa potência. Isso economizaria muito dinheiro para todos e também ajudaria a reduzir a quantidade de resíduos que entram nos aterros sanitários.

Avanços recentes
Escolha de nanopartículas de metal plasmônico
A escolha adequada das nanopartículas de metal plasmático é crucial para a máxima absorção de luz na camada ativa. As nanopartículas de superfície frontal Ag e Au são os materiais mais utilizados devido às suas ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas na faixa visível e, portanto, interagem mais fortemente com o pico de intensidade solar. Contudo, tais nanopartículas de metal nobre sempre introduzem um acoplamento de luz reduzido em Si nos comprimentos de onda curtos abaixo da ressonância de plasmon da superfície devido ao efeito Fano prejudicial, isto é, a interferência destrutiva entre a luz dispersa e não difundida. Além disso, as nanopartículas de metal nobre são impraticáveis ​​de implementar para a fabricação de células solares de grande escala, devido ao seu alto custo e escassez na crosta terrestre. Recentemente, Zhang et al.demonstraram o baixo custo e materiais abundantes em terra Al nano-partículas para ser capaz de superar o amplamente utilizado Ag e Au nanopartículas. As nanopartículas, com suas ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas na região UV abaixo do limite do espectro solar desejado em 300 nm, podem evitar a redução e introduzir um aumento extra na faixa de comprimento de onda menor.

Escolha da forma das nanopartículas
Nanosphere
Nanostar
Nanopartícula de núcleo
Nanodisco
Nanocavidade
Nanovoid
Nanopartícula nucleada
Nanocage
Armadilha de luz

Como discutido anteriormente, ser capaz de se concentrar e espalhar luz através da superfície da célula solar aumentada pelos plasmonic ajudará a aumentar a eficiência. Recentemente, pesquisas no Sandia National Laboratories descobriram um guia de ondas fotônico que coleta luz em um determinado comprimento de onda e a intercepta dentro da estrutura. Essa nova estrutura pode conter 95% da luz que entra nela, em comparação com 30% de outros guias de onda tradicionais.Ele também pode direcionar a luz dentro de um comprimento de onda que é dez vezes maior do que os guias de onda tradicionais. O comprimento de onda que este dispositivo captura pode ser selecionado mudando a estrutura da rede que compreende a estrutura. Se essa estrutura for usada para capturar a luz e mantê-la na estrutura até que a célula solar possa absorvê-la, a eficiência da célula solar poderá ser aumentada drasticamente.

Absorção
Outro avanço recente em células solares com plasmons está usando outros métodos para auxiliar na absorção de luz. Uma maneira de ser pesquisada é o uso de fios de metal no topo do substrato para dispersar a luz. Isso ajudaria utilizando uma área maior da superfície da célula solar para dispersão e absorção de luz. O perigo de usar linhas em vez de pontos seria criar uma camada refletiva que rejeitaria a luz do sistema. Isso é muito indesejável para as células solares. Isso seria muito semelhante à abordagem de filme de metal fino, mas também utiliza o efeito de espalhamento das nanopartículas. Yue et al. usaram um tipo de novos materiais, chamados isolantes topológicos, para aumentar a absorção de células solares ultratinas a-Si. A nanoestrutura isolante topológica possui configuração intrinsecamente core-shell. O núcleo é dielétrico e possui índice de refração ultra alto. A casca é metálica e suporta ressonâncias plasmon da superfície. Através da integração das matrizes de nanocone em células solares de película fina a-Si, foi previsto um aumento de até 15% na absorção de luz nas faixas ultravioleta e visível.

Terceira geração
O objetivo das células solares de terceira geração é aumentar a eficiência usando células solares de segunda geração (filme fino) e usando materiais que são encontrados em abundância na Terra. Este também tem sido um objetivo das células solares de filme fino. Com o uso de materiais comuns e seguros, as células solares de terceira geração devem poder ser fabricadas em grandes quantidades, reduzindo ainda mais os custos. Os custos iniciais seriam altos para produzir os processos de fabricação, mas depois disso eles deveriam ser baratos. A forma como as células solares de terceira geração serão capazes de melhorar a eficiência é absorver uma ampla gama de freqüências. A atual tecnologia de filme fino foi limitada a uma frequência devido ao uso de dispositivos de intervalo de banda única.

Múltiplos níveis de energia
A idéia de múltiplas células solares de nível de energia é basicamente empilhar células solares de filmes finos umas sobre as outras. Cada célula solar de película fina teria um intervalo de bandas diferente, o que significa que, se parte do espectro solar não fosse absorvida pela primeira célula, a parte imediatamente inferior seria capaz de absorver parte do espectro. Estes podem ser empilhados e um intervalo de banda ideal pode ser usado para cada célula, a fim de produzir a quantidade máxima de energia. Opções de como cada célula está conectada estão disponíveis, como serial ou paralela. A conexão serial é desejada porque a saída da célula solar seria apenas duas derivações.

A estrutura de rede em cada uma das células de filme fino precisa ser a mesma. Se não for, haverá perdas. Os processos usados ​​para depositar as camadas são complexos. Eles incluem epitaxia de feixe molecular e Epitaxia de fase de vapor orgânico de metal. O registro de eficiência atual é feito com este processo, mas não possui constantes de rede correspondentes. As perdas devidas a isto não são tão eficazes, porque as diferenças nas redes permitem um material de intervalo de bandas mais ideal para as duas primeiras células. Espera-se que este tipo de célula seja capaz de ser 50% eficiente.

Materiais de baixa qualidade que usam processos de deposição mais baratos também estão sendo pesquisados. Esses dispositivos não são tão eficientes, mas o preço, o tamanho e a potência combinados permitem que eles sejam econômicos. Como os processos são mais simples e os materiais são mais facilmente disponíveis, a produção em massa desses dispositivos é mais econômica.

Células transportadoras quentes
Um problema com as células solares é que os fótons de alta energia que atingem a superfície são convertidos em calor. Esta é uma perda para a célula porque os fótons que chegam não são convertidos em energia utilizável. A idéia por trás da célula transportadora quente é utilizar parte dessa energia que é convertida em calor. Se os elétrons e buracos puderem ser coletados enquanto estiverem quentes, uma voltagem mais alta pode ser obtida da célula. O problema de fazer isso é que os contatos que coletam os elétrons e os furos esfriarão o material. Até agora, manter os contatos de resfriamento da célula foi teórico. Outra maneira de melhorar a eficiência da célula solar usando o calor gerado é ter uma célula que permita que fótons de energia mais baixa estimulem pares de elétrons e buracos. Isso requer um pequeno bandgap. Usando um contato seletivo, os elétrons e buracos de menor energia podem ser coletados enquanto permitem que os de maior energia continuem se movendo através da célula. Os contatos seletivos são feitos usando uma estrutura de tunelamento ressonante de barreira dupla. Os portadores são resfriados que eles dispersam com fonons. Se um material com um bandgap grande de fonons, em seguida, os transportadores irão transportar mais do calor para o contato e não será perdido na estrutura de treliça. Um material que tem um grande bandgap de fonons é o nitreto de índio. As células transportadoras quentes estão em sua infância, mas estão começando a se mover em direção ao estágio experimental.

Células solares eletromecânicas
Tendo características únicas de ressonâncias sintonizáveis ​​e aprimoramento de campo próximo sem precedentes, o plasmon é uma técnica capacitadora para o gerenciamento de luz. Recentemente, os desempenhos de células solares de película fina foram melhorados com a introdução de nanoestruturas metálicas. As melhorias são atribuídas principalmente aos efeitos ópticos plasmônicos para manipular a propagação, absorção e espalhamento da luz. Os efeitos ópticos plasmônicos poderiam: (1) aumentar a absorção óptica de materiais ativos; (2) redistribuir espacialmente a absorção de luz na camada ativa devido ao realce localizado próximo ao campo em torno de nanoestruturas metálicas. Com exceção dos efeitos ótico-plasmônicos, os efeitos da recombinação plasmonicamente modificada, o transporte e a coleta de fototransportadores (elétrons e buracos), daqui em diante denominados efeitos elétricos plasmônicos, foram propostos por Sha, et al. Para melhorar o desempenho do dispositivo, eles conceberam uma regra geral de projeto, adaptada à relação arbitrária de mobilidade entre elétrons e furos, para decidir os caminhos de transporte dos fototransportadores. A regra de design sugere que a razão entre o comprimento do transporte de elétrons e orifícios deve ser balanceada com relação de mobilidade entre elétrons e furos. Em outras palavras, o tempo de transporte de elétrons e furos (dos locais iniciais de geração aos eletrodos correspondentes) deve ser o mesmo. A regra do design geral pode ser realizada pela redistribuição espacial da absorção de luz na camada ativa de dispositivos (com o efeito plasmônico-elétrico). Eles também demonstraram a quebra do limite de carga espacial na célula solar orgânica plasmônica-elétrica. Recentemente, os modos assimétricos plasmonic de nano partículas encontraram para favorecer a absorção ótica de banda larga e promover as propriedades elétricas das células solares. Os efeitos simultâneos plasmônico-óptico e plasmon-elétrico das nanopartículas revelam uma característica promissora do plasma de nanopartículas.

Células solares de bolacha plasmonica ultrafina
A redução da espessura da bolacha de silício a uma perda de eficiência minimizada representa uma tendência dominante no aumento da rentabilidade das células solares baseadas em bolachas.Recentemente, Zhang et al. demonstraram que, usando a estratégia avançada de captura de luz com uma arquitetura de nanopartícula adequadamente projetada, a espessura da bolacha pode ser drasticamente reduzida para apenas cerca de 1/10 da espessura atual (180 µm) sem qualquer perda de eficiência da célula solar em 18,2%. As células solares ultrafinas integradas com nanopartículas, com apenas 3% da espessura da pastilha atual, podem potencialmente alcançar uma eficiência de 15,3% combinando o aumento de absorção com o benefício do aumento de tensão de circuito aberto induzido por bolacha mais fina. Isso representa uma economia de material de 97% com apenas 15% de perda de eficiência relativa. Estes resultados demonstram a viabilidade e a perspectiva de obtenção de células de bolacha de silício ultra-finas de alta eficiência com aprisionamento de luz plasmônica.