Плазмонный солнечный элемент
Тип солнечной батареи

Плазмонно -усиленный солнечный элемент , обычно называемый просто плазмонным солнечным элементом, представляет собой тип солнечного элемента (включая тонкопленочные или пластинчатые элементы), который преобразует свет в электричество с помощью плазмонов , но в котором фотоэлектрический эффект происходит в другом материале. [1] [2] [3]

Прямой плазмонный солнечный элемент — это солнечный элемент, который преобразует свет в электричество, используя плазмоны в качестве активного фотоэлектрического материала .

Толщина активного материала варьируется от толщины традиционного кремниевого фотоэлектрического элемента (~100-200 мкм пластины) [4] до менее 2 мкм и теоретически может быть толщиной до 100 нм. [5] Устройства могут быть установлены на подложках, более дешевых, чем кремний , таких как стекло , сталь , пластик или другие полимерные материалы (например, бумага). [6] Одной из проблем для тонкопленочных солнечных элементов является то, что они не поглощают столько света, сколько более толстые солнечные элементы, изготовленные из материалов с тем же коэффициентом поглощения . Методы улавливания света важны для тонкопленочных солнечных элементов. [7] Плазмонно-усиленные элементы улучшают поглощение, рассеивая свет с помощью металлических наночастиц, возбуждаемых при их локализованном поверхностном плазмонном резонансе . [8] Плазмонные наночастицы типа «ядро-оболочка», расположенные в передней части тонкопленочных солнечных элементов, могут способствовать слабому поглощению солнечных элементов Si в ближней инфракрасной области — доля света, рассеиваемого в подложке, и максимальное увеличение длины оптического пути могут достигать 3133. [3] С другой стороны, прямые плазмонные солнечные элементы используют тот факт, что входящий свет на частоте плазмонного резонанса вызывает колебания электронов на поверхности наночастиц. Затем электроны колебаний могут быть захвачены проводящим слоем, производящим электрический ток. Вырабатываемое напряжение зависит от ширины запрещенной зоны проводящего слоя и потенциала электролита, контактирующего с наночастицами.

Для того чтобы эти технологии смогли раскрыть весь свой потенциал и обеспечить коммерциализацию плазмонных солнечных элементов, необходимо провести еще немало исследований. [5]

История

Устройства

В настоящее время существует три различных поколения солнечных элементов. Первое поколение (те, что есть на рынке сегодня) изготавливается из кристаллических полупроводниковых пластин , при этом кристаллический кремний составляет «до 93% доли рынка и около 75 ГВт, установленных в 2016 году». [9] Современные солнечные элементы улавливают свет, создавая пирамиды на поверхности, которые имеют размеры, превышающие размеры большинства тонкопленочных солнечных элементов. Было исследовано создание поверхности подложки шероховатой (обычно путем выращивания SnO 2 или ZnO на поверхности) с размерами порядка входящих длин волн и осаждением SC сверху. Этот метод увеличивает фототок , но тогда тонкопленочные солнечные элементы будут иметь низкое качество материала. [10]

Солнечные элементы второго поколения основаны на тонкопленочных технологиях, таких как представленные здесь. Эти солнечные элементы фокусируются на снижении количества используемого материала, а также на увеличении выработки энергии. Солнечные элементы третьего поколения в настоящее время исследуются. Они фокусируются на снижении стоимости солнечных элементов второго поколения. [11] SC третьего поколения обсуждаются более подробно в разделе «Последние достижения».

Дизайн

Конструкция плазмонных солнечных элементов различается в зависимости от метода, используемого для улавливания и рассеивания света по поверхности и через материал.

Ячейки наночастиц

Плазмонно-усиленный солнечный элемент, использующий металлические наночастицы для распределения света и улучшения поглощения.
PSC с использованием металлических наночастиц.

Распространенной конструкцией является нанесение металлических наночастиц на верхнюю поверхность солнечного элемента. Когда свет попадает на эти металлические наночастицы при их поверхностном плазмонном резонансе, свет рассеивается во многих различных направлениях. Это позволяет свету перемещаться вдоль солнечного элемента и отражаться между подложкой и наночастицами, позволяя солнечному элементу поглощать больше света. [12] Концентрированная интенсивность ближнего поля, вызванная локализованным поверхностным плазмоном металлических наночастиц, будет способствовать оптическому поглощению полупроводников. Недавно было обнаружено, что плазмонные асимметричные моды наночастиц способствуют широкополосному оптическому поглощению и улучшают электрические свойства солнечных элементов. [13] Одновременно плазмонно-оптические и плазмонно-электрические эффекты наночастиц раскрывают многообещающую особенность плазмона наночастиц.

Недавно наночастица с ядром (металлом) и оболочкой (диэлектриком) продемонстрировала нулевое рассеяние назад с улучшенным рассеянием вперед на подложке Si, когда поверхностный плазмон расположен перед солнечным элементом. [14] Наночастицы с ядром и оболочкой могут одновременно поддерживать как электрический, так и магнитный резонансы, демонстрируя совершенно новые свойства по сравнению с голыми металлическими наночастицами, если резонансы правильно спроектированы.

Несмотря на эти эффекты, применение металлических наночастиц на передней стороне солнечных элементов может привести к значительным оптическим потерям, в основном из-за частичного затенения и отражения падающего света. Вместо этого их интеграция на задней стороне тонкопленочных устройств, особенно между слоем абсорбера и задним металлическим контактом (действующим как отражающее зеркало), может обойти такие проблемы, поскольку частицы взаимодействуют только с более длинноволновым светом, который слабо поглощается элементом, для которого эффекты плазмонного рассеяния могут обеспечить выраженный прирост фототока. [15] Такая так называемая конфигурация плазмонного заднего отражателя позволила добиться наивысшего повышения эффективности фотоэлектрических систем, например, как это было продемонстрировано в тонкопленочных кремниевых солнечных элементах. [16] [17]

Металлопленочные элементы

Доступны и другие методы, использующие поверхностные плазмоны для сбора солнечной энергии. Еще один тип структуры — это тонкая пленка кремния и тонкий слой металла, нанесенный на нижнюю поверхность. Свет будет проходить через кремний и генерировать поверхностные плазмоны на границе кремния и металла. Это создает электрические поля внутри кремния, поскольку электрические поля не проникают слишком далеко 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 возбудить как можно больше фотонов в тонкой пленке кремния. [18]

Принципы

Общий

Световые эффекты на тонких и толстых солнечных элементах.
Тонкопленочный SC (слева) и типичный SC (справа).

Когда фотон возбуждается в подложке солнечной ячейки, электрон и дырка разделяются. После того, как электроны и дырки разделены, они захотят рекомбинировать, поскольку они имеют противоположный заряд. Если электроны могут быть собраны до того, как это произойдет, их можно использовать в качестве тока для внешней цепи. Проектирование толщины солнечной ячейки всегда является компромиссом между минимизацией этой рекомбинации (более тонкие слои) и поглощением большего количества фотонов (более толстый слой). [12]

Наночастицы

Рассеяние и поглощение

Основные принципы функционирования плазмонно-усиленных солнечных элементов включают 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, управляющие рассеянием и поглощением света, можно представить следующим образом:

  • С с с а т = 1 6 π ( 2 π λ ) 4 | α | 2 {\displaystyle C_{scat}={\frac {1}{6\pi }}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right)^{4}|\alpha |^{2}}

Здесь показано рассеяние света для частиц, диаметр которых меньше длины волны света.

  • С а б с = 2 π λ Я [ α ] {\displaystyle C_{abs}={\frac {2\pi }{\lambda }}{\text{Im}}[\alpha ]}

Здесь показано поглощение для модели точечного диполя.

  • α = 3 В [ ϵ п / ϵ м − 1 ϵ п / ϵ м + 2 ] {\displaystyle \альфа =3V\left[{\frac {\epsilon _{p}/\epsilon _{m}-1}{\epsilon _{p}/\epsilon _{m}+2}}\right]}

Это поляризуемость частицы. V — объем частицы. — диэлектрическая функция частицы. — диэлектрическая функция среды внедрения. Когда поляризуемость частицы становится большой. Это значение поляризуемости известно как поверхностный плазмонный резонанс. Диэлектрическая функция для металлов с низким поглощением может быть определена как : ϵ п {\displaystyle \epsilon _{p}} ϵ м {\displaystyle \epsilon _{м}} ϵ п = − 2 ϵ м {\displaystyle \epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}}

  • ϵ = 1 − ω п 2 ω 2 + я γ ω {\displaystyle \epsilon =1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}+i\gamma \omega }}}

В предыдущем уравнении — объемная плазменная частота. Она определяется как: ω п {\displaystyle \omega _{p}}

  • ω п 2 = Н е 2 / м ϵ 0 {\displaystyle \omega _{p}^{2}=Ne^{2}/m\epsilon _{0}}

N — плотность свободных электронов, e — заряд электрона , m — эффективная масса электрона. — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Уравнение для поверхностного плазмонного резонанса в свободном пространстве может быть представлено следующим образом: ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}}

  • α = 3 В ω п 2 ω п 2 − 3 ω 2 − я γ ω {\displaystyle \alpha =3V{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega _{p}^{2}-3\omega ^{2}-i\gamma \omega }}}

Многие плазмонные солнечные элементы используют наночастицы для усиления рассеивания света. Эти наночастицы принимают форму сфер, и поэтому частота поверхностного плазмонного резонанса для сфер является желательной. Решая предыдущие уравнения , частоту поверхностного плазмонного резонанса для сферы в свободном пространстве можно показать как:

  • ω с п = 3 ω п {\displaystyle \omega _{sp}={\sqrt {3}}\omega _{p}}

Например, при поверхностном плазмонном резонансе для серебряной наночастицы сечение рассеяния примерно в 10 раз больше сечения наночастицы. Цель наночастиц — удержать свет на поверхности SC. Поглощение света не важно для наночастицы, скорее, оно важно для SC. Можно было бы подумать, что если наночастица увеличивается в размере, то сечение рассеяния становится больше. Это верно, однако, по сравнению с размером наночастицы, отношение ( ) уменьшается. Частицы с большим сечением рассеяния, как правило, имеют более широкий диапазон плазмонного резонанса. С С с с а т / С С п а г т я с л е {\displaystyle CS_{scat}/CS_{particle}}

Зависимость от длины волны

Поверхностный плазмонный резонанс в основном зависит от плотности свободных электронов в частице. Ниже показан порядок плотности электронов для различных металлов вместе с типом света, который соответствует резонансу.

Если диэлектрическая проницаемость для среды внедрения изменяется, резонансная частота может быть смещена. Более высокие показатели преломления приведут к более длинной резонансной длине волны.

Улавливание света

Металлические наночастицы осаждаются на расстоянии от подложки, чтобы удерживать свет между подложкой и частицами. Частицы внедряются в материал поверх подложки. Материалом обычно является диэлектрик , такой как кремний или нитрид кремния . При проведении эксперимента и моделирования количества света, рассеиваемого в подложке из-за расстояния между частицей и подложкой, воздух используется в качестве материала внедрения 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 нет расстояния между частицей и подложкой, то свет не улавливается и больше света выходит.

Поверхностные плазмоны являются возбуждениями электронов проводимости на границе раздела металла и диэлектрика. Металлические наночастицы могут использоваться для связывания и улавливания свободно распространяющихся плоских волн в тонкопленочном слое полупроводника. Свет может быть сложен в поглощающий слой для увеличения поглощения. Локализованные поверхностные плазмоны в металлических наночастицах и поверхностные плазмонные поляритоны на границе раздела металла и полупроводника представляют интерес в текущих исследованиях. В недавних опубликованных работах форма и размер металлических наночастиц являются ключевыми факторами для определения эффективности связи. Более мелкие частицы имеют большую эффективность связи из-за улучшенной связи в ближнем поле. Однако очень маленькие частицы страдают от больших омических потерь. [19]

Тем не менее, в некоторых типах наноструктурированных солнечных элементов, таких как появляющиеся квантово-точечные солнечные элементы промежуточной зоны , высокоинтенсивное рассеянное ближнее поле, создаваемое вблизи плазмонных наночастиц, может быть использовано для локального усиления поглощения в квантовых точках, которые встроены в полупроводник-хозяин. [20] [21]

Недавно было обнаружено, что плазмонные асимметричные моды наночастиц способствуют широкополосному оптическому поглощению и улучшают электрические свойства солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмонно-электрические эффекты наночастиц раскрывают многообещающую особенность плазмона наночастиц. [13]

Металлическая пленка

Когда свет падает на поверхность металлической пленки, он возбуждает поверхностные плазмоны. Частота поверхностного плазмона специфична для материала, но с помощью решеток на поверхности пленки можно получить различные частоты. Поверхностные плазмоны также сохраняются с помощью волноводов, поскольку они облегчают перемещение поверхностных плазмонов по поверхности, а потери из-за сопротивления и излучения сводятся к минимуму. Электрическое поле, генерируемое поверхностными плазмонами, влияет на движение электронов к собирающей подложке. [22]

Материалы

Первое поколениеВторое поколениеТретье поколение
Монокристаллический кремнийCuInSe2фосфид галлия и индия
Мультикристаллический кремнийАморфный кремнийарсенид галлия и индия
Поликристаллический кремнийТонкопленочный кристаллический SiГерманий

[11] [23]

Приложения

Существует множество применений для плазмонно-усиленных солнечных элементов. Потребность в более дешевых и эффективных солнечных элементах значительна. 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 к более зеленому миру помогло инициировать исследования в области плазмонно-усиленных солнечных элементов. В настоящее время солнечные элементы не могут превышать эффективность около 30% (первое поколение). С новыми технологиями (третье поколение) можно ожидать эффективности до 40-60%. С уменьшением материалов за счет использования тонкопленочной технологии (второе поколение) цены могут быть снижены.

Определенные приложения для плазмонно-усиленных солнечных элементов будут для космических исследовательских аппаратов. Главным вкладом в это будет снижение веса солнечных элементов. Внешний источник топлива также не понадобится, если солнечные элементы смогут вырабатывать достаточно энергии. Это также радикально поможет снизить вес.

Солнечные элементы имеют большой потенциал для помощи в электрификации сельской местности . По оценкам, два миллиона деревень вблизи экватора имеют ограниченный доступ к электричеству и ископаемому топливу, и примерно 25% [24] людей в мире не имеют доступа к электричеству. Если сравнить стоимость расширения электросетей , эксплуатации сельского электричества и использования дизельных генераторов со стоимостью солнечных элементов, во многих случаях солнечные элементы превосходят. Если эффективность и стоимость текущей технологии солнечных элементов еще больше снизятся, то многие сельские общины и деревни по всему миру смогут получать электроэнергию, когда текущие методы невозможны. Конкретными приложениями для сельских общин будут системы перекачки воды, электроснабжение жилых помещений и уличное освещение. Особенно интересным приложением будут системы здравоохранения в странах, где моторизованные транспортные средства не слишком распространены. Солнечные элементы могут использоваться для обеспечения питания для охлаждения лекарств в холодильниках во время транспортировки.

Солнечные элементы также могли бы обеспечивать энергией маяки , буи или даже линкоры в океане. Промышленные компании могли бы использовать их для питания телекоммуникационных систем или систем мониторинга и управления вдоль трубопроводов. [25]

Если бы солнечные элементы можно было производить в больших масштабах и они были бы экономически эффективными, то можно было бы построить целые электростанции , чтобы обеспечить электроэнергией электрические сети. С уменьшением размера их можно было бы внедрять как в коммерческих, так и в жилых зданиях с гораздо меньшей площадью. [25]

Другие приложения находятся в гибридных системах. Солнечные элементы могут помочь в питании устройств с высоким потреблением, таких как автомобили , чтобы сократить количество используемого ископаемого топлива.

В потребительских электронных устройствах солнечные элементы могут быть использованы для замены батарей для маломощной электроники. Это сэкономит деньги, а также сократит количество отходов, отправляемых на свалки . [26]

Последние достижения

Выбор плазмонных металлических наночастиц

Правильный выбор плазменных металлических наночастиц имеет решающее значение для максимального поглощения света в активном слое. Расположенные на передней поверхности наночастицы серебра и золота (Ag и Au) являются наиболее широко используемыми материалами из-за того, что их поверхностные плазмонные резонансы находятся в видимом диапазоне, поэтому они сильнее взаимодействуют с пиковой интенсивностью солнечного света. Однако такие наночастицы благородных металлов всегда вносят пониженную световую связь в Si на коротких длинах волн ниже поверхностного плазмонного резонанса из-за пагубного эффекта Фано, т. е. деструктивной интерференции между рассеянным и нерассеянным светом. Более того, наночастицы благородных металлов непрактичны для использования в крупномасштабном производстве солнечных элементов из-за их высокой стоимости и редкости в земной коре. Недавно Чжан и др. продемонстрировали, что недорогие и распространенные на Земле наночастицы алюминия (Al) могут превзойти широко используемые наночастицы Ag и Au. Наночастицы алюминия, поверхностные плазмонные резонансы которых расположены в УФ-области ниже желаемого края солнечного спектра при 300 нм, могут избежать снижения и внести дополнительное усиление в более коротковолновом диапазоне. [27] [28]

Выбор формы наночастиц

ФормаСсылка.
Наносфера[29]
Наностар[30]
Наночастица типа «ядро-оболочка»[14]
Нанодиск[31]
Нанополость[32]
Нановидный[33]
Зародышевая наночастица[34]
Наноклетка[35]
Наночастица типа «ядро-оболочка»[3]

Улавливание света для улучшения поглощения

Как обсуждалось ранее, возможность концентрировать и рассеивать свет с поверхности или задней стороны плазмонно-усиленного солнечного элемента поможет повысить эффективность, особенно при использовании тонких фотоэлектрических материалов. [36]

Недавно исследования в Sandia National Laboratories обнаружили фотонный волновод, который собирает свет на определенной длине волны и удерживает его внутри структуры. Эта новая структура может удерживать 95% света, который в нее попадает, по сравнению с 30% для других традиционных волноводов. Он также может направлять свет в пределах одной длины волны, что в десять раз больше, чем у традиционных волноводов. Длина волны, которую захватывает это устройство, может быть выбрана путем изменения структуры решетки, которая составляет структуру. Если эта структура используется для улавливания света и удержания его в структуре до тех пор, пока солнечный элемент не сможет его поглотить, эффективность солнечного элемента может быть значительно увеличена. [37]

Еще одним недавним достижением в области плазмонно-усиленных солнечных элементов является использование других методов для содействия поглощению света. Одним из исследуемых методов является использование металлических проводов поверх подложки для рассеивания света. Это помогло бы за счет использования большей площади поверхности солнечного элемента для рассеивания и поглощения света. Опасность использования линий вместо точек заключается в создании отражающего слоя, который будет отклонять свет из системы. Это очень нежелательно для солнечных элементов. Это было бы очень похоже на подход с тонкой металлической пленкой, но он также использует эффект рассеивания наночастиц. [38] Юэ и др. использовали тип новых материалов, называемых топологическими изоляторами, для увеличения поглощения сверхтонких солнечных элементов a-Si. Наноструктура топологического изолятора имеет внутреннюю конфигурацию ядро-оболочка. Ядро является диэлектриком и имеет сверхвысокий показатель преломления. Оболочка является металлической и поддерживает поверхностные плазмонные резонансы. Благодаря интеграции массивов наноконусов в тонкопленочные солнечные элементы a-Si было предсказано увеличение поглощения света до 15% в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. [39]

Третье поколение

Целью солнечных элементов третьего поколения является повышение эффективности с использованием солнечных элементов второго поколения (тонкопленочных) и материалов, которые в изобилии встречаются на Земле. Это также было целью тонкопленочных солнечных элементов. При использовании обычных и безопасных материалов солнечные элементы третьего поколения должны быть способны производиться в массовых количествах, что еще больше снизит затраты. Первоначальные затраты будут высокими для осуществления производственных процессов, но после этого они должны стать дешевыми. Способ, которым солнечные элементы третьего поколения смогут повысить эффективность, заключается в поглощении более широкого диапазона частот. Текущая тонкопленочная технология была ограничена одной частотой из-за использования устройств с одной запрещенной зоной. [11]

Несколько уровней энергии

Идея создания многоуровневых солнечных элементов заключается в том, чтобы в основном укладывать друг на друга тонкопленочные солнечные элементы. Каждый тонкопленочный солнечный элемент будет иметь различную ширину запрещенной зоны, что означает, что если часть солнечного спектра не будет поглощена первым элементом, то тот, что находится чуть ниже, сможет поглотить часть спектра. Их можно укладывать друг на друга, и для каждого элемента можно использовать оптимальную ширину запрещенной зоны, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии. Существует несколько вариантов соединения каждого элемента, например, последовательное или параллельное. Последовательное соединение желательно, поскольку выход солнечного элемента будет состоять всего из двух выводов.

Структура решетки в каждой из тонкопленочных ячеек должна быть одинаковой. Если это не так, то будут потери. Процессы, используемые для осаждения слоев, сложны. Они включают молекулярно-лучевую эпитаксию и эпитаксию из металлорганических паров. Текущая запись эффективности сделана с помощью этого процесса, но не имеет точного соответствия постоянных решетки. Потери из-за этого не так эффективны, потому что различия в решетках позволяют использовать более оптимальный материал запрещенной зоны для первых двух ячеек. Ожидается, что этот тип ячейки сможет иметь эффективность 50%.

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

Горячие несущие элементы

Проблема с солнечными элементами заключается в том, что фотоны высокой энергии, которые попадают на поверхность, преобразуются в тепло. Это потеря для элемента, поскольку входящие фотоны не преобразуются в полезную энергию. Идея, лежащая в основе элемента с горячим носителем, заключается в использовании части этой входящей энергии, которая преобразуется в тепло. Если электроны и дырки могут быть собраны в горячем состоянии, от элемента можно получить более высокое напряжение. Проблема в том, что контакты, которые собирают электроны и дырки, будут охлаждать материал. До сих пор предотвращение охлаждения элемента контактами было теоретическим. Другой способ повышения эффективности солнечного элемента с использованием вырабатываемого тепла — иметь элемент, который позволяет фотонам с более низкой энергией возбуждать пары электронов и дырок. Для этого требуется небольшая запрещенная зона. Используя селективный контакт, электроны и дырки с более низкой энергией могут быть собраны, в то время как электроны и дырки с более высокой энергией могут продолжать двигаться через элемент. Селективные контакты выполнены с использованием двухбарьерной резонансно-туннельной структуры. Носители охлаждаются, и они рассеиваются фононами. Если материал имеет большую запрещенную зону фононов, то носители будут переносить больше тепла к контакту, и оно не будет потеряно в структуре решетки. Одним из материалов, который имеет большую запрещенную зону фононов, является нитрид индия. Ячейки с горячими носителями находятся в зачаточном состоянии, но начинают двигаться к экспериментальной стадии.

Плазмонно-электрические солнечные элементы

Имея уникальные особенности настраиваемых резонансов и беспрецедентного усиления ближнего поля, плазмон является эффективным методом управления светом. Недавно характеристики тонкопленочных солнечных элементов были значительно улучшены за счет внедрения металлических наноструктур. Улучшения в основном связаны с плазмонно-оптическими эффектами для управления распространением, поглощением и рассеиванием света. Плазмонно-оптические эффекты могут: (1) усиливать оптическое поглощение активных материалов; (2) пространственно перераспределять поглощение света в активном слое за счет локализованного усиления ближнего поля вокруг металлических наноструктур. За исключением плазмонно-оптических эффектов, эффекты плазмонно-модифицированной рекомбинации , транспорта и сбора фотоносителей (электронов и дырок), далее называемые плазмонно-электрическими эффектами, были предложены Ша и др. [40] [41] Для повышения производительности устройства они разработали общее правило проектирования, адаптированное к произвольному соотношению подвижности электронов и дырок, для определения транспортных путей фотоносителей. [41] Правило дизайна предполагает, что отношение длины переноса электронов к дыркам должно быть сбалансировано с отношением подвижности электронов к дыркам. Другими словами, время переноса электронов и дырок (от начальных участков генерации до соответствующих электродов) должно быть одинаковым. Общее правило дизайна может быть реализовано путем пространственного перераспределения поглощения света в активном слое устройств (с плазмонно-электрическим эффектом). Они также продемонстрировали нарушение предела пространственного заряда в плазмонно-электрическом органическом солнечном элементе. [40] Недавно было обнаружено, что плазмонные асимметричные моды наночастиц способствуют широкополосному оптическому поглощению и улучшают электрические свойства солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмонно-электрические эффекты наночастиц раскрывают многообещающую особенность плазмона наночастиц. [13] [42]

Ультратонкие плазмонные пластинчатые солнечные элементы

Уменьшение толщины кремниевой пластины при минимальных потерях эффективности представляет собой основную тенденцию в повышении экономической эффективности солнечных элементов на основе пластин. Недавно Чжан и др. продемонстрировали, что, используя передовую стратегию улавливания света с правильно спроектированной архитектурой наночастиц, толщину пластины можно значительно уменьшить до всего лишь около 1/10 от текущей толщины (180 мкм) без какой-либо потери эффективности солнечного элемента на уровне 18,2%. Интегрированные наночастицами сверхтонкие солнечные элементы с толщиной всего лишь 3% от текущей толщины пластины могут потенциально достичь эффективности 15,3%, сочетая улучшение поглощения с преимуществом более тонкой пластины, вызванной увеличением напряжения разомкнутой цепи. Это представляет собой 97% экономии материала при относительной потере эффективности всего лишь 15%. Эти результаты демонстрируют осуществимость и перспективу достижения высокоэффективных сверхтонких ячеек на кремниевых пластинах с плазмонным улавливанием света. [43]

Прямые плазмонные солнечные элементы

Разработка прямых плазмонных солнечных элементов, которые используют плазмонные наночастицы непосредственно в качестве поглотителей света, началась гораздо позже, чем плазмонные элементы.

В 2013 году было подтверждено, что горячие носители в плазмонных наночастицах могут генерироваться путем возбуждения локализованного поверхностного плазмонного резонанса. [44] Было показано, что горячие электроны инжектируются в зону проводимости TiO 2 , что подтверждает их пригодность для преобразования света в электричество. В 2019 году была опубликована еще одна статья, описывающая, как аналог горячих электронов, горячие дырки, также могут быть инжектированы в полупроводник p-типа. [45] Такое разделение зарядов позволяет напрямую использовать плазмонные наночастицы в качестве поглотителей света в фотоэлектрических элементах.

Peafowl Solar Power, дочерняя компания Уппсальского университета, разрабатывает технологию прямых плазмонных солнечных элементов для коммерческих применений, таких как прозрачные солнечные элементы для динамического стекла. [46] [47]

Ссылки

  1. ^ Чжан (2016-10-08). "Плазмонное усиление аморфных кремниевых солнечных фотоэлектрических ячеек с гексагональными серебряными решетками, изготовленными с помощью наносферной литографии" (PDF) . Materials Research Express . 3 (10): 105034. Bibcode :2016MRE.....3j5034Z. doi :10.1088/2053-1591/3/10/105034. S2CID  137869504.
  2. ^ Gwamuri, J.; Güney, D. Ö.; Pearce, JM (2013-01-01). Tiwari, Atul; Boukherroub, Rabah; Sharon, heshwar (ред.). Advances in Plasmonic Light Trapping in Thin-Film Solar Photovoltaic Devices . John Wiley & Sons, Inc. стр.  241– 269. doi :10.1002/9781118845721.ch10. ISBN 9781118845721.
  3. ^ abc Юй, Пэн; Чжан, Фаньлу; Ли, Цзыюань; Чжун, Чжицинь; Говоров, Александр; Фу, Лан; Тан, Хо; Джагадиш, Ченнупати; Ван, Чжимин (2018-06-29). "Гигантское увеличение длины оптического пути в плазмонных тонкопленочных солнечных элементах с использованием наночастиц типа ядро-оболочка". Journal of Physics D: Applied Physics . 51 (29): 295106. Bibcode :2018JPhD...51C5106Y. doi :10.1088/1361-6463/aacb9d. ISSN  0022-3727. S2CID  125556930.
  4. ^ Тонг и др. (2014-01-10). «Плазмонно-усиленные кремниевые барьерные солнечные элементы Шоттки». Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы . 120 : 591–595 . Bibcode : 2014SEMSC.120..591T. doi : 10.1016/j.solmat.2013.10.001.
  5. ^ ab Atwater, Harry A.; Polman, Albert (март 2010 г.). «Плазмоника для улучшенных фотоэлектрических устройств». Nature Materials . 9 (3): 205– 213. Bibcode :2010NatMa...9..205A. doi :10.1038/nmat2629. PMID  20168344.
  6. ^ Висенте, Антонио Т.; Араужо, Андрея; Мендес, Мануэль Дж.; Нуньес, Даниэла; Оливейра, Мария Дж.; Санчес-Собрадо, Олалья; Феррейра, Марта П.; Агуас, Хьюго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (29 марта 2018 г.). «Многофункциональная целлюлозная бумага для легкого сбора урожая и интеллектуальных датчиков». Журнал химии материалов C. 6 (13): 3143–3181 . doi : 10.1039/C7TC05271E. ISSN  2050-7534.
  7. ^ Мюллер, Иоахим; Рех, Бернд; Шпрингер, Иржи; Ванечек, Милан (2004-12-01). «TCO и улавливание света в кремниевых тонкопленочных солнечных элементах». Солнечная энергия . Тонкопленочные фотоэлектрические элементы. 77 (6): 917– 930. Bibcode :2004SoEn...77..917M. doi :10.1016/j.solener.2004.03.015.
  8. ^ Catchpole, KR; Polman, A. (2008). "Плазмонные солнечные элементы" (PDF) . Optics Express . 16 (26): 21793– 21800. Bibcode : 2008OExpr..1621793C. doi : 10.1364/OE.16.021793. PMID  19104612.
  9. ^ Рибейрон (2017-05-09). "Кристаллические кремниевые солнечные элементы: лучше, чем когда-либо" (PDF) . Materials Research Express . 3 (10): 105034. Bibcode : 2016MRE.....3j5034Z. doi : 10.1088/2053-1591/3/10/105034. S2CID  137869504.
  10. ^ Мюллер, Иоахим; Рех, Бернд; Шпрингер, Иржи; Ванечек, Милан (2004). «TCO и улавливание света в кремниевых тонкопленочных солнечных элементах». Солнечная энергия . 77 (6): 917–930 . Bibcode : 2004SoEn...77..917M. doi : 10.1016/j.solener.2004.03.015.
  11. ^ abc Гэвин Конибир, Третье поколение фотоэлектрических устройств, Proc. SPIE Vol. 7411, 74110D (20 августа 2009 г.)
  12. ^ ab Tanabe, K. (2009). "Обзор сверхвысокоэффективных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений III-V: многопереходные тандемные, низкоразмерные, фотонные преобразования вверх/вниз и плазмонные нанометаллические структуры". Energies . 2 (3): 504–530 . doi : 10.3390/en20300504 .
  13. ^ abc Ren, Xingang etl. (2016). "Высокоэффективные органические солнечные элементы, достигаемые с помощью одновременных плазмонно-оптических и плазмонно-электрических эффектов от плазмонных асимметричных мод золотых нанозвезд". Small . 12 (37): 5200– 5207. doi :10.1002/smll.201601949. PMID  27487460.
  14. ^ ab Yu, Peng; Yao, Yisen; Wu, Jiang; Niu, Xiaobin; Rogach, Андрей Л.; Wang, Zhiming (2017-08-09). "Влияние плазмонных металлических наночастиц с ядром - диэлектрической оболочкой на усиление широкополосного поглощения света в тонкопленочных солнечных элементах". Scientific Reports . 7 (1): 7696. Bibcode :2017NatSR...7.7696Y. doi :10.1038/s41598-017-08077-9. ISSN  2045-2322. PMC 5550503 . PMID  28794487. 
  15. ^ Мендес, Мануэль Дж.; Моравец, Северин; Симоне, Франческа; Приоло, Франческо; Крупи, Изодиана (2014-04-10). «Коллоидные плазмонные обратные отражатели для улавливания света в солнечных элементах». Nanoscale . 6 (9): 4796– 4805. Bibcode : 2014Nanos...6.4796M. doi : 10.1039/C3NR06768H . ISSN  2040-3372. PMID  24664403. S2CID  16782262.
  16. ^ Моравец, Северин; Мендес, Мануэль Дж.; Филонович Сергей А.; Матеус, Тьяго; Мирабелла, Сальваторе; Агуас, Хьюго; Феррейра, Изабель; Симона, Франческа; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Приоло, Франческо; Крупи, Исодиана (30 июня 2014 г.). «Усиление широкополосного фототока в солнечных элементах a-Si:H с плазмонными обратными отражателями». Оптика Экспресс . 22 (104): А1059 – А1070 . Бибкод : 2014OExpr..22A1059M. дои : 10.1364/OE.22.0A1059. hdl : 10362/35672 . ISSN  1094-4087. PMID  24978069.
  17. ^ Мендес, Мануэль Дж.; Моравец, Северин; Матеус, Тиаго; Любчик, Андрей; Агуас, Хьюго; Феррейра, Изабель; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Приоло, Франческо; Крупи, Изодиана (2015-03-27). "Широкополосное улавливание света в тонкопленочных солнечных элементах с самоорганизованными плазмонными наноколлоидами". Нанотехнологии . 26 (13): 135202. Bibcode : 2015Nanot..26m5202M. doi : 10.1088/0957-4484/26/13/135202. ISSN  0957-4484. PMID  25760231. S2CID  24473789.
  18. ^ Ферри, Вивиан Э.; Суитлок, Люк А.; Пасифик, Доменико; Этуотер, Гарри А. (2008). «Проектирование плазмонной наноструктуры для эффективного связывания света с солнечными элементами». Nano Letters . 8 (12): 4391– 4397. Bibcode :2008NanoL...8.4391F. CiteSeerX 10.1.1.422.8582 . doi :10.1021/nl8022548. PMID  19367883. 
  19. ^ Atwater, Harry; A. Polman (19 февраля 2010 г.). «Плазмоника для усовершенствованных фотоэлектрических устройств». Nature Materials . 9 (3): 205– 13. Bibcode : 2010NatMa...9..205A. doi : 10.1038/nmat2629. PMID  20168344.
  20. ^ Мендес, Мануэль Дж; Эрнандес, Эстела; Лопес, Эстер; Гарсиа-Линарес, Пабло; Рамиро, Иньиго; Артачо, Ирен; Антолин, Элиза; Тобиас, Игнасио; Марти, Антонио; Луке, Антонио (30 августа 2013 г.). «Самоорганизующиеся коллоидные квантовые точки и металлические наночастицы для солнечных элементов промежуточной зоны с усиленным плазмоном». Нанотехнологии . 24 (34): 345402. Бибкод : 2013Nanot..24H5402M. дои : 10.1088/0957-4484/24/34/345402. ISSN  0957-4484. PMID  23912379. S2CID  20463892.
  21. ^ Мендес, Мануэль Х.; Луке, Антонио; Тобиас, Игнасио; Марти, Антонио (2009-08-17). "Плазмонное усиление света в ближнем поле металлических наносфероидов для применения в солнечных элементах промежуточной зоны". Applied Physics Letters . 95 (7): 071105. Bibcode : 2009ApPhL..95g1105M. doi : 10.1063/1.3205470. ISSN  0003-6951.
  22. ^ Хауг, Ф.-Дж.; Сёдерстрём, Т.; Куберо, О.; Терраццони-Додрикс, В.; Баллиф, К. (2008). «Плазмонное поглощение в текстурированных серебряных задних отражателях тонкопленочных солнечных элементов». Журнал прикладной физики . 104 (6): 064509–064509–7. Bibcode : 2008JAP...104f4509H. doi : 10.1063/1.2981194.
  23. ^ "Офис технологий солнечной энергетики". energy.gov .
  24. ^ «Факты и статистика бедности — глобальные проблемы». 7 января 2013 г.
  25. ^ ab "Приложения - содержимое". Архивировано из оригинала 2012-02-28.
  26. ^ "4 основных типа применения солнечных элементов « Cooler Planet». Архивировано из оригинала 2009-05-21 . Получено 2009-12-16 .
  27. ^ Инань, Чжан и др. (2012). «Недорогие и высокопроизводительные наночастицы Al для широкополосного улавливания света в солнечных элементах на основе кремниевых пластин». Applied Physics Letters . 100 (12): 151101. Bibcode : 2012ApPhL.100b1101N. doi : 10.1063/1.3675451. S2CID  15114028.
  28. ^ Инань, Чжан и др. (2013). «Улучшенные многокристаллические кремниевые солнечные элементы с помощью улавливания света с помощью антибликового покрытия, усиленного наночастицами алюминия». Optical Materials Express . 3 (4): 489. Bibcode : 2013OMExp...3..489Z. doi : 10.1364/OME.3.000489. hdl : 1959.3/314433 .
  29. ^ Накаяма, Кейсуке; Танабэ, Кацуаки; Атуотер, Гарри А. (2008-09-22). "Плазмонные наночастицы усиливают поглощение света в солнечных элементах GaAs" (PDF) . Applied Physics Letters . 93 (12): 121904. Bibcode : 2008ApPhL..93l1904N. doi : 10.1063/1.2988288. ISSN  0003-6951.
  30. ^ У, Цзян; Ю, Пэн; Суша, Андрей С.; Саблон, Кимберли А.; Чэнь, Хайюань; Чжоу, Чжихуа; Ли, Ханьдун; Цзи, Хайнин; Ню, Сяобинь (2015-04-01). «Повышение эффективности широкополосной связи в солнечных ячейках на основе квантовых точек в сочетании с многошиповыми плазмонными нанозвездами». Nano Energy . 13 : 827– 835. Bibcode :2015NEne...13..827W. doi :10.1016/j.nanoen.2015.02.012. S2CID  98282021.
  31. ^ Hägglund, Carl; Zäch, Michael; Petersson, Göran; Kasemo, Bengt (2008-02-04). "Электромагнитная связь света в кремниевой солнечной ячейке с помощью нанодисковых плазмонов". Applied Physics Letters . 92 (5): 053110. Bibcode : 2008ApPhL..92e3110H. doi : 10.1063/1.2840676. ISSN  0003-6951.
  32. ^ Линдквист, Натан К.; Луман, Уэйд А.; О, Сан-Хён; Холмс, Рассел Дж. (2008-09-22). "Плазмонные нанорезонаторные массивы для повышения эффективности органических фотоэлектрических ячеек". Applied Physics Letters . 93 (12): 123308. Bibcode : 2008ApPhL..93l3308L. doi : 10.1063/1.2988287 . ISSN  0003-6951. S2CID  30614030.
  33. ^ Lal, NN; Soares, BF; Sinha, JK; Huang, F.; Mahajan, S.; Bartlett, PN; Greenham, NC; Baumberg, JJ (2011-06-06). «Улучшение солнечных элементов с помощью локализованных плазмонов в нанополостях». Optics Express . 19 (12): 11256– 11263. Bibcode : 2011OExpr..1911256L. doi : 10.1364/OE.19.011256 . ISSN  1094-4087. PMID  21716355.
  34. ^ Чэнь, Си; Цзя, Баохуа ; Саха, Джханту К.; Кай, Боюань; Стоукс, Николас; Цяо, Ци; Ван, Юнцянь; Ши, Чжэнжун; Гу, Минь (2012-05-09). «Расширение широкополосной связи в тонкопленочных аморфных кремниевых солнечных элементах с помощью зародышевых серебряных наночастиц». Nano Letters . 12 (5): 2187– 2192. Bibcode : 2012NanoL..12.2187C. doi : 10.1021/nl203463z. ISSN  1530-6984. PMID  22300399.
  35. ^ Song, Kwang Hyun; Kim, Chulhong; Cobley, Claire M.; Xia, Younan; Wang, Lihong V. (2009-01-14). «Золотые наноклетки ближнего инфракрасного диапазона как новый класс трассеров для фотоакустического картирования сторожевых лимфатических узлов на модели крысы». Nano Letters . 9 (1): 183– 188. Bibcode :2009NanoL...9..183S. doi :10.1021/nl802746w. ISSN  1530-6984. PMC 6986311 . PMID  19072058. 
  36. ^ Morawiec, S.; Mendes, MJ; Priolo, F.; Crupi, I. (2019-03-15). "Плазмонные наноструктуры для улавливания света в тонкопленочных солнечных элементах". Materials Science in Semiconductor Processing . Обработка материалов оптических устройств и их применение. 92 : 10– 18. doi :10.1016/j.mssp.2018.04.035. hdl : 10362/98685 . ISSN  1369-8001. S2CID  102694821.
  37. ^ «Фотонная решетка».
  38. ^ Пала, Рагип А.; Уайт, Джастин; Барнард, Эдвард; Лю, Джон; Бронгерсма, Марк Л. (2009). «Проектирование плазмонных тонкопленочных солнечных элементов с широкополосным поглощением». Advanced Materials . 21 (34): 3504– 3509. Bibcode :2009AdM....21.3504P. doi :10.1002/adma.200900331. S2CID  137622291.
  39. ^ Юэ, Цзэнцзи; Цай, Боюань; Ван, Лань; Ван, Сяолинь; Гу, Минь (2016-03-01). "Внутренне ядро-оболочечные плазмонные диэлектрические наноструктуры со сверхвысоким показателем преломления". Science Advances . 2 (3): e1501536. Bibcode :2016SciA....2E1536Y. doi :10.1126/sciadv.1501536. ISSN  2375-2548. PMC 4820380 . PMID  27051869. 
  40. ^ ab Sha, Wei EI; Li, Xuanhua; Choy, Wallace CH (2014). «Преодоление предела пространственного заряда в органических солнечных элементах с помощью новой плазмонно-электрической концепции». Scientific Reports . 4 (1): 6236. Bibcode :2014NatSR...4.6236S. doi :10.1038/srep06236. PMC 4148652 . PMID  25168122. 
  41. ^ ab Sha, Wei EI; Zhu, Hugh L.; Chen, Luzhou; Chew, Weng Cho; Choy, Wallace CH (2015). "Общее правило проектирования для управления транспортным путем фотоносителей в солнечных элементах и ​​его реализация с помощью плазмонно-электрического эффекта". Scientific Reports . 5 (1): 8525. Bibcode :2015NatSR...5.8525S. doi :10.1038/srep08525. PMC 4330524 . PMID  25686578. 
  42. ^ Choy, WCH; Ren, X. (2016-01-01). "Плазмонно-электрические эффекты в органических солнечных элементах путем включения металлических наноструктур". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 22 (1): 2442679. Bibcode : 2016IJSTQ..2242679C. doi : 10.1109/JSTQE.2015.2442679. ISSN  1077-260X. S2CID  20818468.
  43. ^ Инань, Чжан и др. (2014). «К ультратонким плазмонным кремниевым пластинчатым солнечным элементам с минимальной потерей эффективности». Scientific Reports . 4 (1): 4939. Bibcode :2014NatSR...4.4939Z. doi :10.1038/srep04939. PMC 4018607 . PMID  24820403. 
  44. ^ Sigg, Hans; Milne, Christopher J.; Santomauro, Fabio G.; Rittmann-Frank, Mercedes H.; Szlachetko, Jakub; Friedli, Peter; Tagliabue, Giulia; Sá, Jacinto (14.11.2013). «Прямое наблюдение разделения зарядов на локализованных поверхностных плазмонах Au». Energy & Environmental Science . 6 (12): 3584– 3588. doi :10.1039/C3EE42731E. ISSN  1754-5706.
  45. ^ Хаттори, Йосефу; Абделла, Мохамед; Мэн, Цзе; Чжэн, Кайбо; Са, Хасинто (2019-05-22). «Одновременная инжекция горячих электронов и дырок при возбуждении поверхностного плазмона золота». The Journal of Physical Chemistry Letters . 10 (11): 3140– 3146. doi : 10.1021/acs.jpclett.9b01085 . ISSN  1948-7185. PMID  31117685.
  46. ^ Норстедт, Линда. «Smarta fönster едет в egen el». Ny Teknik (на шведском языке) . Проверено 4 июня 2019 г.
  47. ^ "Fula solceller kan bli minne blott - шведский стартап, созданный в "osynlig" solcell" . Брейкит (на шведском языке) . Проверено 4 июня 2019 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Плазмоническая_солнечная_ячейка&oldid=1271598775"