等离子体增强太阳能电池是一种太阳能电池（包括薄膜，晶体硅，非晶硅和其他类型的电池），它们在等离子体的帮助下将光转换成电能。 厚度不同于传统硅PV的厚度，厚度小于2μm，理论上可以薄至100nm。 它们可以使用比硅便宜的基板，例如玻璃，塑料或钢。 薄膜太阳能电池面临的挑战之一是它们不会吸收与具有相同吸收系数的材料制成的较厚太阳能电池一样多的光。 光捕获的方法对于薄膜太阳能电池是重要的。 等离子体增强细胞通过使用在其表面等离子共振激发的金属纳米颗粒散射光来改善吸收。 等离子体共振频率的入射光诱导纳米颗粒表面的电子振荡。 然后，振荡电子可以被产生电流的导电层捕获。 产生的电压取决于导电层的带隙和电解质与纳米颗粒接触的电位。 仍然需要相当多的研究来使该技术发挥其等离子体增强太阳能电池的全部潜力和商业化。

历史

设备
目前有三代不同的太阳能电池。 第一代产品（今天市场上的产品）采用晶体半导体晶圆制造，晶体硅制造“市场份额高达93％，2016年安装量约为75 GW”。 目前的太阳能电池通过在表面上形成金字塔来捕获光，该金字塔的尺寸大于大多数薄膜太阳能电池。 已经探索了使基板表面粗糙（通常通过在表面上生长SnO 2或ZnO），其尺寸在入射波长的量级上并且将SC沉积在顶部。 该方法增加了光电流，但是薄膜太阳能电池的材料质量会很差。

第二代太阳能电池基于薄膜技术，如此处介绍的那些。 这些太阳能电池专注于降低使用的材料量以及增加能量产生。 目前正在研究第三代太阳能电池。 他们专注于降低第二代太阳能电池的成本。 在最近的进展中更详细地讨论了第三代SC。

设计
等离子体增强太阳能电池的设计取决于用于捕获和散射穿过表面和穿过材料的光的方法。

纳米颗粒电池
常见的设计是将金属纳米颗粒沉积在太阳能电池表面的顶表面上。 当光在其表面等离子共振时撞击这些金属纳米颗粒时，光在许多不同方向上散射。 这允许光沿着太阳能电池行进并在基板和纳米颗粒之间反弹，使得太阳能电池能够吸收更多光。 由金属纳米颗粒的局部表面等离子体诱导的集中的近场强度将促进半导体的光学吸收。 最近，已发现纳米粒子的等离子体不对称模式有利于宽带光学吸收并促进太阳能电池的电学性质。 纳米粒子的同时等离子体光学和等离子体电学效应揭示了纳米粒子等离子体的有希望的特征。

最近，当表面等离子体位于太阳能电池前面时，核（金属） – 壳（电介质）纳米颗粒已经证明零向后散射，并且在Si衬底上具有增强的前向散射。 核 – 壳纳米颗粒可以同时支持电和磁共振，与裸金属纳米颗粒相比，如果正确设计共振，则表现出全新的性质。

金属膜电池
可以使用利用表面等离子体来收集太阳能的其他方法。 另一种类型的结构是在下表面上沉积硅薄膜和薄金属层。 光将穿过硅并在硅和金属的界面上产生表面等离子体。 由于电场不会传播到金属中，因此在硅内部产生电场。 如果电场足够强，则可以移动和收集电子以产生光电流。 该设计中的金属薄膜必须具有纳米尺寸的凹槽，其充当入射光的波导，以便尽可能多地激发硅薄膜中的光子。

原则

一般
当在太阳能电池的基板中激发光子时，电子和空穴被分离。 一旦电子和空穴分离，它们就会重新组合，因为它们具有相反的电荷。 如果在发生这种情况之前可以收集电子，则它们可以用作外部电路的电流。 设计太阳能电池的厚度总是在最小化这种重组（较薄层）和吸收更多光子（较厚层）之间进行权衡。

纳米粒子

散射和吸收
等离子体增强太阳能电池的功能的基本原理包括由于金属纳米颗粒的沉积而导致的光的散射和吸收。硅不能很好地吸收光。 因此，需要在表面上散射更多的光以增加吸收。 已经发现金属纳米颗粒有助于将入射光散射穿过硅衬底的表面。 控制光的散射和吸收的方程式可以显示为：

这表示光的散射对于直径低于光波长的粒子。

这显示了点偶极子模型的吸收。

这是粒子的极化率。 V是粒子体积。  是粒子的介电函数。  是嵌入介质的介电功能。 什么时候  颗粒的极化率变大。 该极化率值被称为表面等离子体共振。 低吸收金属的介电函数可定义为：

在前面的等式中，{\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p}是大量等离子体频率。 这被定义为：

N是自由电子的密度，e是电子电荷，m是电子的有效质量。  是自由空间的介电常数。 因此，自由空间中的表面等离子体共振的等式可以表示为：

例如，在银纳米颗粒的表面等离子体共振下，散射截面约为纳米颗粒横截面的10倍。 纳米粒子的目标是将光捕获在SC的表面上。 光的吸收对于纳米颗粒并不重要，相反，它对于SC是重要的。 人们会认为，如果纳米粒子的尺寸增加，则散射截面变大。 然而，与纳米粒子的大小相比，这是正确的（  ） 降低了。 具有大散射截面的颗粒倾向于具有更宽的等离子体共振范围。

波长依赖性
表面等离子体共振主要取决于粒子中自由电子的密度。 下面示出了不同金属的电子密度的顺序以及对应于共振的光的类型。

铝 – 紫外线
银 – 紫外线
黄金 – 可见
铜 – 可见
如果改变嵌入介质的介电常数，则可以改变谐振频率。 较高的折射率将导致较长的波长频率。

光诱捕
金属纳米颗粒在距基板一定距离处沉积，以便将光捕获在基板和颗粒之间。 将颗粒嵌入基材顶部的材料中。 该材料通常是电介质，例如硅或氮化硅。 当对由于颗粒和基板之间的距离而散射到基板中的光量进行实验和模拟时，使用空气作为嵌入材料作为参考。 已经发现，辐射到衬底中的光量随着与衬底的距离而减小。 这意味着表面上的纳米颗粒对于将光辐射到基板中是合乎需要的，但是如果颗粒和基板之间没有距离，则光不会被捕获并且更多的光逃逸。

表面等离子体是金属和电介质界面处的传导电子的激发。 金属纳米颗粒可用于将自由传播的平面波耦合和捕获到半导体薄膜层中。 光可以折叠到吸收层中以增加吸收。 金属纳米粒子中的局域表面等离子体和金属与半导体界面处的表面等离子体激元在目前​​的研究中是令人感兴趣的。 在最近的报道中，金属纳米粒子的形状和大小是决定内耦合效率的关键因素。 由于增强的近场耦合，较小的颗粒具有较大的内耦合效率。 然而，非常小的颗粒遭受大的欧姆损耗。

最近，已发现纳米粒子的等离子体不对称模式有利于宽带光学吸收并促进太阳能电池的电学性质。 纳米粒子的同时等离子体光学和等离子体电学效应揭示了纳米粒子等离子体的有希望的特征。

金属膜
当光入射到金属膜的表面上时，它激发表面等离子体。 表面等离子体激元频率对于材料是特定的，但是通过在膜表面上使用光栅，可以获得不同的频率。 表面等离子体也通过使用波导保存，因为它们使表面等离子体更容易在表面上行进，并且由于电阻和辐射引起的损失被最小化。 由表面等离子体产生的电场影响电子朝向收集基板行进。

物料

应用
等离子体增强太阳能电池的应用是无止境的。 对更便宜和更有效的太阳能电池的需求是巨大的。 为了使太阳能电池具有成本效益，它们需要以比煤和汽油等传统电源更低的价格提供能源。 向更绿色世界的转变有助于激发等离子体增强太阳能电池领域的研究。 目前，太阳能电池不能超过约30％（第一代）的效率。 使用新技术（第三代），可以预期高达40-60％的效率。 通过使用薄膜技术（第二代）减少材料，可以降低价格。

等离子体增强太阳能电池的某些应用将用于太空探索车辆。 对此的主要贡献是太阳能电池的重量减轻。 如果可以从太阳能电池产生足够的功率，也不需要外部燃料源。 这将极大地有助于减轻重量。

太阳能电池有很大的潜力帮助农村电气化。 估计赤道附近有200万个村庄获得电力和化石燃料的机会有限，世界上约有25％的人无法获得电力。 当扩大电网，运行农村电力和使用柴油发电机的成本与太阳能电池的成本相比时，太阳能电池的成功很多次。 如果当前太阳能电池技术的效率和成本进一步降低，那么当目前的方法无法实现时，世界上许多农村社区和村庄都可以获得电力。 农村社区的具体应用是水泵系统，住宅电力供应和路灯。 一个特别有趣的应用是在机动车辆不是过多的国家的卫生系统。 太阳能电池可用于提供在运输过程中冷却冷却器中药物的能力。

太阳能电池还可以为海洋中的灯塔，浮标甚至战列舰提供动力。 工业公司可以使用它们为管道或其他系统的电信系统或监控系统供电。

如果太阳能电池可以大规模生产并且具有成本效益，那么可以建造整个发电站以便为电网提供电力。随着尺寸的减小，它们可以在商业和住宅建筑上实施，占地面积更小。 他们甚至可能看起来不像是一个眼睛。

其他领域是混合系统。 太阳能电池可以帮助为汽车等高消耗设备供电，以减少所使用的化石燃料的数量，并有助于改善地球的环境条件。

在消费电子设备中，太阳能电池可用于替代低功率电子设备的电池。 这样可以为每个人节省大量资金，也有助于减少进入垃圾填埋场的垃圾量。

最近的进展
等离子体金属纳米粒子的选择
正确选择等离子体金属纳米粒子对于活性层中的最大光吸收是至关重要的。 位于纳米颗粒Ag和Au的前表面是最广泛使用的材料，因为它们的表面等离子共振位于可见光范围内，因此与峰值太阳强度相互作用更强烈。 然而，由于有害的Fano效应，即散射和未散射光之间的破坏性干涉，这种贵金属纳米颗粒总是在低于表面等离子体共振的短波长处引入减少的光耦合到Si中。 此外，贵金属纳米颗粒由于其高成本和地壳的稀缺性而在大规模太阳能电池制造中实施是不切实际的。 最近，张等人。 已经证明了低成本和大量的材料Al纳米粒子能够胜过广泛使用的Ag和Au纳米粒子。 Al纳米颗粒的表面等离子体共振位于300nm处所需太阳光谱边缘以下的UV区域，可以避免还原并在较短波长范围内引入额外的增强。

形状选择纳米粒子
纳米微球
NANOSTAR
核壳纳米粒子
纳米盘
纳米腔
纳米空隙
有核纳米粒子
纳米笼
光诱捕

如前所述，能够在等离子体增强太阳能电池表面上集中和散射光将有助于提高效率。 最近，桑迪亚国家实验室的研究发现了一种光子波导，它收集特定波长的光并将其捕获在结构内。 这种新结构可以包含进入其中的95％的光，而其他传统波导则为30％。 它还可以在一个波长内引导光，这是传统波导的十倍。 可以通过改变构成该结构的晶格的结构来选择该器件捕获的波长。 如果这种结构用于捕获光并将其保持在结构中直到太阳能电池可以吸收它，则太阳能电池的效率可以显着提高。

吸收
等离子体增强太阳能电池的另一个最新进展是使用其他方法来帮助吸收光。 正在研究的一种方法是在基板顶部使用金属线来散射光。 这将有助于利用太阳能电池表面的更大区域来进行光散射和吸收。 使用线而不是点的危险将是创建反射层，该反射层将拒绝来自系统的光。 这对太阳能电池来说是非常不利的。 这与薄金属膜方法非常相似，但它也利用纳米颗粒的散射效应。 岳，等。 使用一种称为拓扑绝缘体的新材料来增加超薄a-Si太阳能电池的吸收。 拓扑绝缘体纳米结构具有固有的核 – 壳结构。 核心是电介质并具有超高折射率。 壳是金属的并且支持表面等离子体共振。 通过将纳米锥阵列集成到a-Si薄膜太阳能电池中，在紫外和可见光范围内预测光吸收增强高达15％。

第三代
第三代太阳能电池的目标是使用第二代太阳能电池（薄膜）和使用在地球上大量存在的材料来提高效率。 这也是薄膜太阳能电池的目标。 通过使用通用和安全的材料，第三代太阳能电池应该能够大批量生产，从而进一步降低成本。 为了生产制造工艺，初始成本会很高，但在此之后它们应该很便宜。 第三代太阳能电池能够提高效率的方式是吸收更宽范围的频率。 由于使用单带隙器件，目前的薄膜技术被限制在一个频率。

多个能量水平
多能级太阳能电池的想法是基本上将薄膜太阳能电池堆叠在彼此之上。 每个薄膜太阳能电池将具有不同的带隙，这意味着如果太阳光谱的一部分未被第一电池吸收，那么刚好在下面的那个将能够吸收部分光谱。 这些可以堆叠，并且可以为每个电池使用最佳带隙，以产生最大量的功率。 可以选择每个单元的连接方式，例如串行或并行。 需要串行连接，因为太阳能电池的输出只是两个引线。

每个薄膜电池中的晶格结构需要相同。 如果不是那么就会有损失。 用于沉积层的过程是复杂的。 它们包括分子束外延和金属有机气相外延。 当前效率记录是通过此过程完成的，但没有精确匹配的晶格常数。 由此产生的损失不那么有效，因为晶格的差异允许前两个电池具有更优化的带隙材料。 预计这种类型的电池能够达到50％的效率。

使用更便宜的沉积工艺的低质量材料也正在研究中。 这些设备效率不高，但价格，尺寸和功率相结合，使它们具有成本效益。 由于工艺更简单并且材料更容易获得，因此这些装置的大规模生产更经济。

热载体电池
太阳能电池的一个问题是撞击表面的高能光子转化为热量。 这是细胞的损失，因为进入的光子不会转换成可用的能量。 热载体电池背后的想法是利用一些转化为热量的输入能量。 如果可以在热的同时收集电子和空穴，则可以从电池获得更高的电压。 这样做的问题是收集电子和空穴的触点会冷却材料。到目前为止，保持触点不冷却电池是理论上的。 使用产生的热量来提高太阳能电池效率的另一种方法是具有允许较低能量光子激发电子和空穴对的单元。 这需要一个小的带隙。 使用选择性接触，可以收集较低能量的电子和空穴，同时允许较高能量的电子和空穴继续移动通过电池。 使用双势垒共振隧穿结构制造选择性接触。 载体被冷却，它们随声子散射。 如果具有大带声子带的材料则载流子将更多的热量带到接触处，并且它不会在晶格结构中丢失。 一种具有大带声子带的材料是氮化铟。 热载体细胞处于初期阶段，但开始向实验阶段迈进。

等离子体电太阳能电池
具有可调共振的独特功能和前所未有的近场增强，等离子体激元是一种用于光管理的使能技术。 最近，通过引入金属纳米结构，显着改善了薄膜太阳能电池的性能。 这些改进主要归因于用于控制光传播，吸收和散射的等离子体光学效应。 等离子体光学效应可以：（1）提高活性物质的光吸收; （2）由于金属纳米结构周围的局部近场增强，在空间上重新分布有源层的光吸收。 除了等离子体 – 光学效应之外，Sha等人已经提出了等离子体改性的重组，光传输（电子和空穴）的传输和收集（以下称为等离子体 – 电效应）的效果。 为了提高器件性能，他们构思了一个通用设计规则，根据任意电子空穴迁移率来定制，以决定光载流子的传输路径。 设计规则表明电子 – 空穴传输长度比应与电子 – 空穴迁移率平衡。 换句话说，电子和空穴（从初始发生位置到相应电极）的传输时间应该相同。 一般设计规则可以通过在器件的有源层上空间重新分布光吸收来实现（具有等离子体 – 电效应）。 他们还证明了等离子体 – 电子有机太阳能电池中空间电荷限制的破坏。 最近，已发现纳米粒子的等离子体不对称模式有利于宽带光学吸收并促进太阳能电池的电学性质。 纳米粒子的同时等离子体光学和等离子体电学效应揭示了纳米粒子等离子体的有希望的特征。

超薄等离子体晶圆太阳能电池
以最小化的效率损失减小硅晶片厚度是提高基于晶片的太阳能电池的成本效益的主流趋势。 最近，张等人。 已经证明，采用先进的光捕获策略和适当设计的纳米粒子结构，晶圆厚度可以显着降低到当前厚度（180μm）的1/10左右，而太阳能电池效率损失不会达到18.2％。 纳米颗粒集成的超薄太阳能电池只有当前晶圆厚度的3％，可以实现15.3％的效率，结合吸收增强和更薄晶圆引起的开路电压增加的优势。 这意味着节省了97％的材料，相对效率损失仅为15％。 这些结果证明了利用等离子体光捕获实现高效率超薄硅晶片的可行性和前景。