Солнечный солнечный элемент, созданный плазмонами, представляет собой тип солнечных элементов (включая тонкопленочный, кристаллический кремний, аморфный кремний и другие типы клеток), которые преобразуют свет в электричество с помощью плазмонов. Толщина варьируется от толщины традиционных кремниевых PV до толщины менее 2 мкм и теоретически может быть такой же тонкой, как 100 нм. Они могут использовать подложки, которые дешевле кремния, такие как стекло, пластик или сталь. Одна из проблем тонкопленочных солнечных элементов заключается в том, что они не поглощают столько света, сколько более толстых солнечных элементов, изготовленных из материалов с одинаковым коэффициентом поглощения. Методы захвата света важны для тонкопленочных солнечных элементов. В клетках, усиленных плазмоном, улучшается поглощение рассеивающим светом с использованием металлических наночастиц, возбуждаемых при их поверхностном плазмонном резонансе. Входящий свет на резонансной частоте плазмона индуцирует колебания электронов на поверхности наночастиц. Затем колебательные электроны могут быть захвачены проводящим слоем, создающим электрический ток.Полученное напряжение зависит от запрещенной зоны проводящего слоя и потенциала электролита в контакте с наночастицами. До сих пор существуют значительные исследования, необходимые для того, чтобы технология могла полностью использовать потенциал и коммерциализировать солнечные элементы с увеличенной плазмой.

история

приборы
В настоящее время существует три разных поколения солнечных элементов. Первое поколение (сегодня на рынке) изготовлено из кристаллических полупроводниковых пластин, причем кристаллический кремний обеспечивает «до 93% рынка и около 75 ГВт, установленных в 2016 году». Текущие солнечные элементы улавливают свет, создавая на поверхности пирамиды, размеры которых больше, чем у большинства тонкопленочных солнечных элементов. Изучена шероховатость поверхности грунта (обычно путем выращивания SnO2 или ZnO на поверхности) с размерами порядка входящих длин волн и осаждением SC сверху.Этот метод увеличивает фототок, но тонкопленочные солнечные элементы тогда будут иметь низкое качество материала.

Солнечные элементы второго поколения основаны на тонкопленочных технологиях, таких как представленные здесь. Эти солнечные элементы сосредоточены на снижении количества используемого материала, а также на увеличении производства энергии. В настоящее время исследуются солнечные элементы третьего поколения. Они сосредоточены на снижении стоимости солнечных элементов второго поколения. SC SC третьего поколения более подробно обсуждается при недавнем продвижении.

дизайн
Конструкция солнечных элементов с увеличенной плазмой изменяется в зависимости от метода, используемого для улавливания и рассеяния света по поверхности и через материал.

Ячейки наночастиц
Общая конструкция заключается в нанесении металлических наночастиц на верхнюю поверхность поверхности солнечного элемента. Когда свет попадает на эти металлические наночастицы при их поверхностном плазмонном резонансе, свет рассеивается во многих разных направлениях. Это позволяет свету путешествовать по солнечному элементу и подпрыгивать между подложкой и наночастицами, позволяя солнечному элементу поглощать больше света. Концентрированная интенсивность ближнего поля, индуцированная локализованным поверхностным плазмоном металлических наночастиц, будет способствовать оптическому поглощению полупроводников. В последнее время плазмонические асимметричные моды наночастиц нашли преимущество широкополосного оптического поглощения и способствуют электрическим свойствам солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмон-электрические эффекты наночастиц показывают многообещающую особенность плазмы плазмы наночастиц.

В последнее время наночастица ядра (металлическая) — оболочка (диэлектрик) продемонстрировала нулевое рассеяние назад с усиленным рассеянием вперед на подложке Si, когда поверхностный плазмон расположен перед солнечным элементом. Наночастицы ядра-оболочки могут одновременно поддерживать как электрический, так и магнитный резонансы, демонстрируя совершенно новые свойства по сравнению с голыми металлическими наночастицами, если резонансы должным образом спроектированы.

Металлические пленки
Доступны другие методы использования поверхностных плазмонов для сбора солнечной энергии. Другим типом структуры является тонкая пленка из кремния и тонкий слой металла, нанесенный на нижнюю поверхность. Свет будет проходить через кремний и генерировать поверхностные плазмоны на границе раздела кремния и металла. Это генерирует электрические поля внутри кремния, поскольку электрические поля не очень далеко перемещаются в металлы. Если электрическое поле достаточно сильное, электроны могут перемещаться и собираться для создания фототока. Тонкая пленка металла в этой конструкции должна иметь канавки нанометрового размера, которые действуют как волноводы для входящего света, чтобы возбуждать как можно больше фотонов в тонкой пленке кремния.

принципы

Генеральная
Когда фотон возбуждается в подложке солнечного элемента, электрон и дырка отделяются.Как только электроны и дырки будут разделены, они захотят рекомбинировать, поскольку они имеют противоположный заряд. Если электроны могут быть собраны до этого, они могут использоваться как ток для внешней цепи. Проектирование толщины солнечного элемента всегда является компромиссом между минимизацией этой рекомбинации (более тонкие слои) и поглощением большего количества фотонов (более толстый слой).

Наночастицы

Рассеяние и поглощение
Основными принципами функционирования солнечных элементов с усиленной плазмой являются рассеяние и поглощение света за счет осаждения металлических наночастиц.Кремний не очень хорошо поглощает свет. По этой причине для увеличения поглощения необходимо рассеивать больше света по поверхности. Было обнаружено, что металлические наночастицы помогают рассеивать входящий свет по поверхности кремниевой подложки.Уравнения, определяющие рассеяние и поглощение света, можно показать как:

Это показывает рассеяние света для частиц, имеющих диаметры ниже длины волны света.

Это показывает поглощение для точечной дипольной модели.

Это поляризуемость частицы. V — объем частицы.  — диэлектрическая функция частицы.  — диэлектрическая функция среды погружения. когда  поляризуемость частицы становится большой. Эта величина поляризуемости известна как поверхностный плазмонный резонанс. Диэлектрическая функция для металлов с низким поглощением может быть определена как:

В предыдущем уравнении {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} является объемной плазменной частотой. Это определяется как:

N — плотность свободных электронов, e — электронный заряд, m — эффективная масса электрона.  — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Поэтому уравнение для поверхностного плазмонного резонанса в свободном пространстве можно представить следующим образом:

В качестве примера, при поверхностном плазмонном резонансе для наночастицы серебра сечение рассеяния составляет около 10x поперечного сечения наночастицы. Целью наночастиц является захват света на поверхности СК. Поглощение света не важно для наночастицы, скорее, это важно для SC. Можно было бы подумать, что если размер наночастицы будет увеличен, то сечение рассеяния станет больше. Это верно, однако, по сравнению с размером наночастицы отношение (  ) уменьшен.Частицы с большим сечением рассеяния имеют тенденцию иметь более широкий диапазон резонанса плазмона.

Зависимость длины волны
Поверхностный плазмонный резонанс в основном зависит от плотности свободных электронов в частице. Ниже показан порядок плотностей электронов для разных металлов, а также тип света, соответствующий резонансу.

Алюминий — Ультрафиолетовый
Серебро — Ультрафиолетовый
Золото — видимое
Медь — видимая
Если диэлектрическая проницаемость среды встраивания изменяется, резонансная частота может быть сдвинута. Более высокие показатели преломления приведут к более длинной частоте волны.

Захват света
Металлические наночастицы осаждаются на расстоянии от подложки, чтобы улавливать свет между подложкой и частицами. Частицы внедряются в материал поверх подложки. Материал обычно представляет собой диэлектрик, такой как нитрид кремния или кремния. При проведении эксперимента и моделирования количества света, рассеянного в подложке из-за расстояния между частицей и подложкой, воздух используется в качестве материала для вставки в качестве эталона. Было обнаружено, что количество света, излучаемого в подложку, уменьшается с расстоянием от подложки. Это означает, что наночастицы на поверхности желательны для излучения света в подложку, но если расстояние между частицей и подложкой отсутствует, тогда свет не захватывается и больше света выходит.

Поверхностные плазмоны представляют собой возбуждения электронов проводимости на границе раздела металла и диэлектрика. Металлические наночастицы могут использоваться для соединения и ловушки свободно распространяющихся плоских волн в полупроводниковый тонкопленочный слой. Свет может быть сложен в поглощающий слой для увеличения поглощения. Интерес к текущим исследованиям представляют локализованные поверхностные плазмоны в металлических наночастицах и поверхностных плазмонных поляритонах на границе раздела металл и полупроводник. В последних опубликованных работах форма и размер металлических наночастиц являются ключевыми факторами для определения эффективности развязывания. Более мелкие частицы обладают большей эффективностью разъединения благодаря усиленной ближней связи. Однако очень мелкие частицы страдают от больших омических потерь.

В последнее время плазмонические асимметричные моды наночастиц нашли преимущество широкополосного оптического поглощения и способствуют электрическим свойствам солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмон-электрические эффекты наночастиц показывают многообещающую особенность плазмы плазмы наночастиц.

Металлическая пленка
По мере того как свет падает на поверхность металлической пленки, он возбуждает поверхностные плазмоны. Частота поверхностного плазмона специфична для материала, но с использованием решеток на поверхности пленки могут быть получены разные частоты.Поверхностные плазмоны также сохраняются за счет использования волноводов, поскольку они облегчают движение поверхностных плазмонов на поверхности, а потери, связанные с сопротивлением и излучением, сводятся к минимуму. Электрическое поле, генерируемое поверхностными плазмонами, влияет на движение электронов к собирающей подложке.

материалы

Приложения
Приложения для солнечных элементов с увеличенным плазмоном бесконечны. Потребность в более дешевых и эффективных солнечных элементах огромна. Для того чтобы солнечные элементы считались экономически эффективными, они должны обеспечивать энергию по меньшей цене, чем традиционные источники энергии, такие как уголь и бензин. Движение в сторону более зеленого мира помогло исправить исследования в области солнечных элементов с увеличенной плазмой. В настоящее время солнечные элементы не могут превышать КПД около 30% (первое поколение). С новыми технологиями (третье поколение) можно ожидать повышения эффективности до 40-60%. С уменьшением материалов за счет использования технологии тонкой пленки (второе поколение), цены могут быть снижены.

Некоторые приложения для солнечных элементов с увеличенной плазмой были бы предназначены для космических кораблей. Основным вкладом в это будет снижение веса солнечных элементов. Внешний источник топлива также не понадобится, если из солнечных элементов может быть получено достаточное количество энергии. Это также решило бы уменьшить вес.

Солнечные батареи имеют большой потенциал, чтобы помочь электрификации сельских районов. По оценкам, около двух миллионов деревень вблизи экватора имеют ограниченный доступ к электричеству и ископаемому топливу и что около 25% людей в мире не имеют доступа к электричеству. Когда затраты на расширение электрических сетей, использование электроэнергии в сельской местности и использование дизель-генераторов сравниваются со стоимостью солнечных батарей, многократно выигрывают солнечные батареи. Если эффективность и стоимость нынешней технологии солнечных элементов еще больше снизятся, то многие сельские общины и деревни по всему миру могут получить электроэнергию, когда нынешние методы не могут быть и речи. Конкретными приложениями для сельских общин будут водонасосные системы, электроснабжение жилых помещений и уличные фонари. Особенно интересным будет применение систем здравоохранения в странах, где моторизованные транспортные средства не слишком многочисленны. Солнечные батареи могут использоваться для обеспечения питания холодильными препаратами в кулерах во время транспортировки.

Солнечные батареи могут также обеспечивать мощность маяков, буев или даже линкоров в океане. Промышленные компании могут использовать их для питания телекоммуникационных систем или систем мониторинга и управления по трубопроводам или другой системе.

Если бы солнечные элементы могли быть изготовлены в больших масштабах и были бы экономически эффективными, тогда целые электростанции могли бы быть построены для обеспечения электричества электрическими сетями. С уменьшением размера они могут быть реализованы как в коммерческих, так и в жилых зданиях с гораздо меньшим размером. Они могут даже не казаться бельмом.

Другие области находятся в гибридных системах. Солнечные элементы могли бы помочь использовать устройства с высоким потреблением, такие как автомобили, чтобы уменьшить количество используемых ископаемых видов топлива и помочь улучшить условия окружающей среды на земле.

В устройствах бытовой электроники солнечные элементы могут использоваться для замены батарей для электроники с низким энергопотреблением. Это сэкономит всем много денег, а также поможет уменьшить количество отходов, поступающих на свалки.

Последние достижения
Выбор плазменных металлических наночастиц
Правильный выбор наночастиц плазменного металла имеет решающее значение для максимального поглощения света в активном слое. Поверхностные поверхности наночастиц Ag и Au являются наиболее широко используемыми материалами из-за их поверхностных плазмонных резонансов, расположенных в видимом диапазоне и, следовательно, более сильно взаимодействуют с пиковой солнечной интенсивностью. Однако такие наночастицы благородного металла всегда вводят световую световую связь в Si на коротких длинах волн ниже поверхностного плазмонного резонанса из-за пагубного эффекта Фано, т. Е. Разрушающей интерференции между рассеянным и нераскрытым светом. Кроме того, наночастицы благородного металла нецелесообразно применять для крупномасштабного производства солнечных элементов из-за их высокой стоимости и дефицита в земной коре. В последнее время Zhang et al. продемонстрировали низкозатратные и богатые землей материалы Al-наночастицы, чтобы иметь возможность превосходить широко используемые наночастицы Ag и Au. Al-наночастицы с их поверхностными плазмонными резонансами, расположенными в УФ-области ниже желаемого края солнечного спектра при 300 нм, могут избежать уменьшения и ввести дополнительное усиление в более коротком диапазоне длин волн.

Выбор формы наночастиц
Nanosphere
Nanostar
Ядерная наночастица
Nanodisk
Nanocavity
Nanovoid
Нуклеированная наночастица
Nanocage
Захват света

Как обсуждалось ранее, способность концентрировать и рассеивать свет по поверхности солнечного элемента, обогащенного плазмонами, поможет повысить эффективность. В последнее время в исследовательских лабораториях Sandia National Laboratories был обнаружен фотонный волновод, который собирает свет на определенной длине волны и захватывает его внутри структуры. Эта новая структура может содержать 95% света, попадающего в нее, по сравнению с 30% для других традиционных волноводов. Он также может направлять свет в пределах одной длины волны, что в десять раз больше, чем традиционные волноводы. Длина волны, которую это устройство захватывает, может быть выбрана путем изменения структуры решетки, которая содержит структуру. Если эта структура используется для улавливания света и сохранения его в структуре до тех пор, пока солнечный элемент не сможет его поглотить, эффективность солнечного элемента может быть резко увеличена.

абсорбция
Еще одно недавнее продвижение в солнечных элементах, усиленных плазмой, использует другие методы, помогающие поглощению света. Одним из способов исследования является использование металлических проводов на поверхности подложки для рассеивания света. Это поможет, используя большую площадь поверхности солнечного элемента для рассеяния света и поглощения. Опасность использования линий вместо точек создавала бы отражающий слой, который бы отклонил свет от системы. Это очень нежелательно для солнечных элементов. Это было бы очень похоже на подход тонкой металлической пленки, но также использует эффект рассеяния наночастиц. Юэ и др. использовали тип новых материалов, называемых топологическими изоляторами, для увеличения поглощения ультратонких солнечных элементов a-Si. Наноструктура топологического изолятора имеет внутреннюю конфигурацию ядра-оболочки. Ядро является диэлектриком и обладает сверхвысоким показателем преломления. Оболочка представляет собой металлический и опорный плазмонный резонанс.Благодаря интеграции массивов наноконов в тонкопленочные солнечные элементы a-Si, в ультрафиолетовом и видимом диапазонах прогнозировалось увеличение поглощения света до 15%.

Третье поколение
Целью солнечных элементов третьего поколения является повышение эффективности с использованием солнечных элементов второго поколения (тонкая пленка) и использование материалов, которые встречаются в изобилии на Земле. Это также было целью тонкопленочных солнечных элементов. При использовании обычных и безопасных материалов солнечные элементы третьего поколения должны быть изготовлены в массовых количествах, что еще больше снижает затраты. Первоначальные затраты были бы высокими, чтобы производить производственные процессы, но после этого они должны быть дешевыми. То, как солнечные элементы третьего поколения смогут повысить эффективность, состоит в поглощении более широкого диапазона частот. Текущая технология тонкой пленки была ограничена одной частотой из-за использования однозондовых зазоров.

Несколько уровней энергии
Идея создания многоэлементных солнечных элементов состоит в том, чтобы в основном складывать тонкопленочные солнечные элементы друг на друга. У каждого тонкопленочного солнечного элемента будет разный запрет на полосу, что означает, что если часть солнечного спектра не поглощается первой ячейкой, то тот, который чуть ниже, сможет поглощать часть спектра. Они могут быть уложены в стопку, и оптимальная ширина полосы может использоваться для каждой ячейки, чтобы обеспечить максимальную мощность. Доступны опции для подключения каждой ячейки, например, последовательная или параллельная.Серийное соединение желательно, потому что выход солнечного элемента будет всего двумя выводами.

Структура решетки в каждой из тонкопленочных ячеек должна быть одинаковой. Если это не так, тогда будут потери. Процессы, используемые для осаждения слоев, являются сложными.Они включают в себя молекулярно-лучевую эпитаксию и эпитаксию на органической паре металла. Текущая запись эффективности выполняется с помощью этого процесса, но не имеет точных согласованных констант решетки. Потери, связанные с этим, не так эффективны, поскольку различия в решетках позволяют получить более оптимальный материал зазоров в пробе для первых двух ячеек. Ожидается, что этот тип ячеек способен быть на 50% эффективным.

Также изучаются материалы более низкого качества, которые используют более дешевые процессы осаждения. Эти устройства не так эффективны, но цена, размер и мощность в совокупности позволяют им быть столь же экономически эффективными. Поскольку процессы проще и материалы более доступны, массовое производство этих устройств более экономично.

Горячие клетки-носители
Проблема с солнечными элементами заключается в том, что фотоны с высокой энергией, попадающие на поверхность, преобразуются в тепло. Это потеря для ячейки, потому что входящие фотоны не преобразуются в полезную энергию. Идея, лежащая в клетке с горячим носителем, состоит в том, чтобы использовать часть этой поступающей энергии, которая преобразуется в тепло. Если электроны и дырки можно собирать в горячем состоянии, из ячейки может быть получено более высокое напряжение. Проблема с этим заключается в том, что контакты, которые собирают электроны и дырки, будут охлаждать материал. До сих пор поддержание контактов от охлаждения ячейки было теоретическим. Другим способом повышения эффективности солнечного элемента с использованием выделяемого тепла является наличие ячейки, которая позволяет фотонам с более высокой энергией возбуждать электронные и дырочные пары. Это требует небольшой запрещенной зоны. Используя селективный контакт, могут быть собраны электроны и дырки с более низкой энергией, позволяя более высоким энергиям продолжать движение через ячейку. Селективные контакты выполняются с использованием двухбарьерной резонансной туннельной структуры. Носители охлаждаются, и они рассеиваются с фононами. Если материал с большой запрещенной зоной фононов, то носители будут нести больше тепла к контакту и не будут потеряны в структуре решетки. Одним материалом, который имеет большую запрещенную зону фононов, является нитрид индия. Ячейки горячих носителей находятся в зачаточном состоянии, но начинают двигаться к экспериментальной стадии.

Плазмонические электрические солнечные элементы
Обладая уникальными характеристиками перестраиваемых резонансов и беспрецедентным улучшением ближнего поля, плазмон является вспомогательной техникой для управления светом. В последнее время характеристики тонкопленочных солнечных элементов были заметно улучшены за счет введения металлических наноструктур. Улучшения в основном связаны с плазмо-оптическими эффектами для управления распространением света, поглощением и рассеянием. Плазмо-оптические эффекты могут: (1) ускорить оптическое поглощение активных материалов; (2) пространственно перераспределить поглощение света на активном слое за счет локализованного приповерхностного усиления вокруг металлических наноструктур. За исключением плазмо-оптических эффектов, эффекты плазмономически модифицированной рекомбинации, переноса и сбора фотоносителей (электронов и дырок), далее называемые плазмо-электрическими эффектами, были предложены Sha, et al. Для повышения производительности устройства они разработали общее правило проектирования, адаптированное к произвольному коэффициенту мобильности электронов и дырок, чтобы определить пути транспортировки фотоносителей. В правиле проектирования предполагается, что отношение длины транспорта к каналу должно быть сбалансировано с отношением подвижности электронов к дыру. Другими словами, время транспортировки электронов и дырок (от начальных участков генерации до соответствующих электродов) должно быть одинаковым.Общее правило проектирования может быть реализовано путем пространственного перераспределения поглощения света на активном слое приборов (с плазмо-электрическим эффектом). Они также продемонстрировали нарушение предела пространственного заряда в плазмо-электрическом органическом солнечном элементе. В последнее время плазмонические асимметричные моды наночастиц нашли преимущество широкополосного оптического поглощения и способствуют электрическим свойствам солнечных элементов.Одновременно плазмонно-оптические и плазмон-электрические эффекты наночастиц показывают многообещающую особенность плазмы плазмы наночастиц.

Сверхтонкие плазменные солнечные элементы
Уменьшение толщины кремниевой пластины при минимизированной потери эффективности представляет собой основную тенденцию к повышению экономической эффективности солнечных элементов на основе пластины. В последнее время Zhang et al.продемонстрировали, что с использованием передовой стратегии улавливания света с правильно спроектированной наночастичной архитектурой толщина пластины может быть значительно уменьшена до примерно 1/10 от текущей толщины (180 мкм) без потери эффективности солнечных элементов на 18,2%. Интегрированные ультратонкие солнечные элементы с наночастицами, имеющие только 3% от текущей толщины пластины, могут потенциально достичь эффективности на 15,3%, сочетая усиление поглощения с выгодой для более тонкого увеличения напряжения открытой цепи на подложке. Это означает экономию материала на 97% с относительной потерей эффективности только на 15%. Эти результаты демонстрируют осуществимость и перспективу получения высокоэффективных сверхтонких кремниевых пластинчатых ячеек с захватом плазмонного света.