Фотовольтаика промежуточного диапазона

Фотовольтаика промежуточной зоны в исследованиях солнечных элементов обеспечивает методы превышения предела Шокли-Кейсера на эффективность элемента. Он вводит энергетический уровень промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение ИБ позволяет двум фотонам с энергией меньше ширины запрещенной зоны возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости . Это увеличивает индуцированный фототок и, следовательно, эффективность. ^[1]

Ограничение эффективности

Одна группа

Люке и Марти впервые получили теоретический предел для устройства IB с одним уровнем энергии в середине зазора, используя подробный баланс . ^[1] Они предположили, что в IB не было собрано носителей и что устройство находится в полной концентрации. ^[1] Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% при ширине запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости. ^[1] При одном солнечном освещении предельная эффективность составляет 47%. ^[2]

Бесконечные полосы

Грин и Браун расширили эти результаты, выведя теоретический предел эффективности для устройства с бесконечными IB. ^[3] Путем введения большего количества IB можно использовать еще больший спектр инцидентов. После выполнения детального баланса они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 77,2%. ^[3] Этот КПД меньше, чем у многопереходной ячейки с бесконечными переходами. Это связано с тем, что в многопереходных ячейках электроны захватываются сразу после возбуждения в более высокоэнергетическое состояние, тогда как в устройстве IB электронам все еще требуется еще один энергетический переход, чтобы достичь зоны проводимости и быть собранными. ^[3]

Современные технологии

У IB теоретически есть потенциал стать высокоэффективными устройствами, но их сложно создать. Введение ИБ значительно усиливает механизмы безызлучательной рекомбинации. ^[4] Кроме того, IB должны быть частично заполнены, чтобы обеспечить перемещение перевозчика в IB и обратно. Для этого часто требуются доноры-носители. ^[2] Ниже описаны три современных метода изготовления устройств IB.

Квантовые точки

Первый метод заключается во внедрении небольших однородных структур квантовых точек (КТ) в однопереходное устройство. ^[2] При этом создается ИБ, который можно настроить, изменяя форму и размер КТ. ^[5] Чтобы экспериментальное устройство продемонстрировало высокий потенциал эффективности, оно должно продемонстрировать, что оно может генерировать ток за счет поглощения субзонных фотонов, сохраняя при этом выходное напряжение устройства. ^[5] Некоторые экспериментальные устройства, такие как InAs/GaAs, смогли сделать это с помощью квантовых точек, выращенных эпитаксиально. ^[5] Предварительные устройства InAs/GaAs смогли обеспечить эффективность до 18,3%, хотя это все еще ниже, чем у сопоставимого устройства с одним переходом. ^[6] К сожалению, структуры QD имеют несколько проблем: ^[2]

Введенный ИБ часто бывает пустым, что требует от доноров-носителей частичного его заполнения.
Устройства обычно эффективны только при низких температурах, поскольку они склонны к тепловому выбросу.
Использование КТ увеличивает безызлучательную рекомбинацию, что снижает характеристики подзоны.
Увеличение количества слоев КТ может улучшить характеристики подзоны, но также увеличивает нагрузку на решетку устройства.

Поэтому необходимы дополнительные исследования для создания действительно высокоэффективных устройств. В частности, необходимо разработать структуры КТ высокой плотности с длительным временем жизни носителей и найти новые материалы, чтобы исключить необходимость использования донорских носителей для заполнения ИБ. ^[2]

Результаты, связанные с химически синтезированными коллоидными квантовыми точками (CQD) ^[7] а фотоэлектрические материалы на основе перовскита продемонстрировали потенциально благоприятные условия для реализации полупроводников IB. ККТ, изготовленные из материалов с малой запрещенной зоной (в ближнем инфракрасном диапазоне), обеспечивают сильное удержание носителей, высокое радиационное время жизни, большой радиус Бора, ^[8] и может преодолеть основные вышеупомянутые ограничения точек, выращенных эпитаксиально. ^[9] Во-первых, ККТ могут быть плотно упакованы (плотности до 10 ¹⁹–10 ²⁰ точек/см ³) в пленках с высокой впитывающей способностью. Во-вторых, размер CQD точно контролируется, что позволяет создать настоящую трехзонную конфигурацию. Например, ККТ PbS, встроенные в широкозонную основу перовскита, могут обеспечить оптимальную конфигурацию ИБ и обеспечить коэффициенты поглощения, связанные с ИБ-переходами, значениями (до ~ 10 ⁵ см ⁻¹) сравнимо с сыпучими материалами. ^[10] Также многообещающе то, что перовскиты и CQD, объединенные в растворе, могут образовывать эпитаксиально выровненные гетерокристаллы «точки в материи» (CQD @ Perovskite) _, где точки пассивируются перовскитом и остаются хорошо диспергированными с концентрацией, настраиваемой путем контроля соотношения смешанных растворов. ^[11]

Сильно несовместимые сплавы

Другой метод изготовления устройства IB — использование сильно разнородных сплавов. Использование этих несоответствующих сплавов приводит к возникновению IB из-за механизма предотвращения пересечения зон (BAC). ^[12] По сути, это расщепление валентной зоны или зоны проводимости, в зависимости от типа сплава, на две зоны. ^[12] Эти материалы обычно изготавливаются из сплавов III-V, однако они также изготавливаются из сплавов II-VI. ^[12] Двумя наиболее изученными сплавами являются ZnTe, легированный O, и GaAs, легированный N. ^[13] Оба этих устройства экспериментально показали поглощение субзонных фотонов, однако ни одно из них не смогло продемонстрировать сохранение напряжения. ^[13] Несмотря на это, устройства ZnTeO продемонстрировали более высокий фототок и эффективность, чем сопоставимые устройства ZnTe с одной запрещенной зоной. ^[6] К сожалению, обе структуры имеют КПД менее 1%. ^[6] В дальнейшем необходимы дополнительные исследования для поиска материалов с естественными частично заполненными полосами IB. ^[5]

Сыпучие материалы с глубокими примесями

Наконец, последний подход заключается во введении примесей глубокого уровня (DLI) в объемный полупроводниковый материал. ^[5] Этот метод аналогичен использованию сплавов с высокой степенью несоответствия, однако процент легирования намного меньше. Самая большая проблема с этими устройствами заключается в том, что безызлучательная рекомбинация, преимущественно Шокли-Рид-Холла, значительно увеличивается. ^[14] Значительные исследования в этой области были направлены на достижение «восстановления срока службы» или возможности увеличить срок службы носителя за счет введения большего количества DLI. ^[15] В частности, считалось, что восстановление срока службы может быть достигнуто за счет увеличения концентрации DLI при переходе от изолятора к металлу. ^[15] Крич, однако, опроверг это и в процессе предложил «показатель качества», позволяющий определить, подходят ли материалы для высокоэффективных ИБ. ^[15] Идея заключалась в том, что если бы время жизни безызлучательной рекомбинации было значительно больше, чем время прохождения электрона из зоны проводимости в зону проводимости, то материал мог бы повысить эффективность. ^[15] По сути, электрон может достичь IB до рекомбинации, что приводит к более высокому индуцированному фототоку. Эта добротность была использована для объяснения того, почему ни одно пригодное для использования устройство не было изготовлено с использованием высоколегированного кремния. В частности, кремний, легированный халькогеном, имеет низкие показатели эффективности из-за малого времени жизни безызлучательной рекомбинации. ^[16] Для создания устройств IB необходимо провести дополнительные исследования, чтобы найти объемный полупроводниковый материал, который демонстрирует более высокое время жизни безызлучательной рекомбинации.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Луке, Антонио; Марти, Антонио (30 июня 1997 г.). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов за счет фотонных переходов на промежуточных уровнях». Письма о физических отзывах . 78 (26). Американское физическое общество (APS): 5014–5017. Бибкод : 1997PhRvL..78.5014L . дои : 10.1103/physrevlett.78.5014 . ISSN 0031-9007 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Окада, Ёситака, Тома Согабе и Ясуси Сёдзи. «Глава 13: «Солнечные элементы промежуточного диапазона»» Передовые концепции фотоэлектрической энергии. Эд. Артур Дж. Нозик, Гэвин Конибир и Мэтью С. Берд. Том. № 11. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество, 2014. 425–54. Распечатать. РНЦ Энергетика и Экология Сер.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Эндрю С.; Грин, Мартин А. (2002). «Примесный фотоэлектрический эффект: фундаментальные пределы эффективности преобразования энергии». Журнал прикладной физики . 92 (3). Издательство АИП: 1329–1336. Бибкод : 2002JAP....92.1329B . дои : 10.1063/1.1492016 . ISSN 0021-8979 .
^ Салливан, Джозеф Т.; Симмонс, Кристи Б.; Буонассиси, Тонио; Крич, Джейкоб Дж. (2015). «Целевой поиск эффективных материалов для солнечных батарей промежуточного диапазона». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 5 (1). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 212–218. дои : 10.1109/jphotov.2014.2363560 . ISSN 2156-3381 . S2CID 44638605 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Рамиро, Иниго; Марти, Антонио; Антолин, Элиза; Луке, Антонио (2014). «Обзор экспериментальных результатов, связанных с работой солнечных элементов промежуточного диапазона» . Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 4 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 736–748. дои : 10.1109/jphotov.2014.2299402 . ISSN 2156-3381 . S2CID 19330387 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Люк А. и Стивен Хегедус. Справочник по фотоэлектрической науке и технике. Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley, 2011. Печать.
^ Мендес, Маноэль Дж; ЭРНАНДЕС, Эстела; ЛОПЕС, Эстер; ГАРСИА-ЛИНАРЕС, Пабло; Рамиро, Иньиго; Артачо, Ирен; Антолин, Элиза; ТОБИАС, Игнасио; МАРТИ, Антонио; Луке, Антонио (30 августа 2013 г.). «Самособирающиеся коллоидные квантовые точки и металлические наночастицы для солнечных элементов среднего диапазона с усиленным плазмоном» . Нанотехнологии . 24 (34): 345402. Бибкод : 2013Nanot..24H5402M . дои : 10.1088/0957-4484/24/34/345402 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 23912379 .
^ Рамиро, Иниго; Кунду, Бисваджит; Далмасес, Мариона; Оздемир, Онур; Питер, Мэри; Константы, Герасим (23 июня 2020 г.). «Внутризонные оптические свойства сильно n-легированных твердотельных пленок коллоидных квантовых точек PbS, зависящих от размера и температуры» . АСУ Нано . 14 (6): 7161–7169. дои : 10.1021/acsnano.0c02033 . hdl : 2117/359290 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 32396326 .
^ Ворёш, Мартон; Галли, Джулия; Зиманьи, Гергели Т. (28 июля 2015 г.). «Коллоидные наночастицы для солнечных элементов промежуточной зоны» . АСУ Нано . 9 (7): 6882–6890. дои : 10.1021/acsnano.5b00332 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 26042468 .
^ Александр, М.; Агуас, Х.; Фортунато, Э.; Мартинс, Р.; Мендес, MJ (17 ноября 2021 г.). «Управление светом с помощью квантовых наноструктурированных полупроводниковых точек в хозяине» . Свет: наука и приложения . 10 (1): 231. Бибкод : 2021LSA....10..231A . дои : 10.1038/s41377-021-00671-x . hdl : 10362/128327 . ISSN 2047-7538 .
^ Рамиро, Иньиго; Марти, Антонио (2021). «Солнечные элементы промежуточного диапазона: настоящее и будущее» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 29 (7): 705–713. дои : 10.1002/pip.3351 . ISSN 1062-7995 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Лопес, Н.; Райхертц, Луизиана; Ю, К.М.; Кэмпман, К.; Валукевич, В. (10 января 2011 г.). «Разработка электронной зонной структуры для многозонных солнечных элементов» . Письма о физических отзывах . 106 (2). Американское физическое общество (APS): 028701. Бибкод : 2011PhRvL.106b8701L . doi : 10.1103/physrevlett.106.028701 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21405256 .
^ Jump up to: ^а ^б Танака, Тору; Ю, Кин М.; Левандер, Алехандро X.; Дубон, Оскар Д.; Райхертц, Лотар А.; и др. (22 августа 2011 г.). «Демонстрация $ZnTe_{1-x}O_{x}$ Солнечная батарея промежуточного диапазона». Японский журнал прикладной физики . 50 (8). Японское общество прикладной физики: 082304. doi : 10.1143/jjap.50.082304 . ISSN 0021-4922 .
^ Луке, Антонио; Марти, Антонио; Стэнли, Колин (5 февраля 2012 г.). «Понимание солнечных элементов промежуточного диапазона» . Природная фотоника . 6 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 146–152. Бибкод : 2012NaPho...6..146L . дои : 10.1038/nphoton.2012.1 . ISSN 1749-4885 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Крич, Джейкоб Дж.; Гальперин, Бертран И.; Аспуру-Гузик, Алан (2012). «Безрадиационное время жизни в фотоэлектрических элементах промежуточной полосы - отсутствие восстановления времени жизни». Журнал прикладной физики . 112 (1). Издательство АИП: 013707–013707–8. arXiv : 1110.5639 . Бибкод : 2012JAP...112a3707K . дои : 10.1063/1.4732085 . ISSN 0021-8979 . S2CID 39531675 .
^ Шер, Мэн-Джу; Симмонс, Кристи Б.; Крич, Джейкоб Дж.; Эйки, Остин Дж.; Винклер, Марк Т.; и др. (04 августа 2014 г.). «Динамика пикосекундной рекомбинации носителей в гиперлегированном халькогеном кремнии» . Письма по прикладной физике . 105 (5). Издательство AIP: 053905. Бибкод : 2014ApPhL.105e3905S . дои : 10.1063/1.4892357 . hdl : 1721.1/97242 . ISSN 0003-6951 .

[ref5-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Луке, Антонио; Марти, Антонио (30 июня 1997 г.). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов за счет фотонных переходов на промежуточных уровнях». Письма о физических отзывах . 78 (26). Американское физическое общество (APS): 5014–5017. Бибкод : 1997PhRvL..78.5014L . дои : 10.1103/physrevlett.78.5014 . ISSN 0031-9007 .

[ref8-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Окада, Ёситака, Тома Согабе и Ясуси Сёдзи. «Глава 13: «Солнечные элементы промежуточного диапазона»» Передовые концепции фотоэлектрической энергии. Эд. Артур Дж. Нозик, Гэвин Конибир и Мэтью С. Берд. Том. № 11. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество, 2014. 425–54. Распечатать. РНЦ Энергетика и Экология Сер.

[ref1-3] Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Эндрю С.; Грин, Мартин А. (2002). «Примесный фотоэлектрический эффект: фундаментальные пределы эффективности преобразования энергии». Журнал прикладной физики . 92 (3). Издательство АИП: 1329–1336. Бибкод : 2002JAP....92.1329B . дои : 10.1063/1.1492016 . ISSN 0021-8979 .

[ref14-4] Салливан, Джозеф Т.; Симмонс, Кристи Б.; Буонассиси, Тонио; Крич, Джейкоб Дж. (2015). «Целевой поиск эффективных материалов для солнечных батарей промежуточного диапазона». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 5 (1). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 212–218. дои : 10.1109/jphotov.2014.2363560 . ISSN 2156-3381 . S2CID 44638605 .

[ref9-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Рамиро, Иниго; Марти, Антонио; Антолин, Элиза; Луке, Антонио (2014). «Обзор экспериментальных результатов, связанных с работой солнечных элементов промежуточного диапазона» . Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 4 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 736–748. дои : 10.1109/jphotov.2014.2299402 . ISSN 2156-3381 . S2CID 19330387 .

[ref4-6] Jump up to: ^а ^б ^с Люк А. и Стивен Хегедус. Справочник по фотоэлектрической науке и технике. Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley, 2011. Печать.

[7] Мендес, Маноэль Дж; ЭРНАНДЕС, Эстела; ЛОПЕС, Эстер; ГАРСИА-ЛИНАРЕС, Пабло; Рамиро, Иньиго; Артачо, Ирен; Антолин, Элиза; ТОБИАС, Игнасио; МАРТИ, Антонио; Луке, Антонио (30 августа 2013 г.). «Самособирающиеся коллоидные квантовые точки и металлические наночастицы для солнечных элементов среднего диапазона с усиленным плазмоном» . Нанотехнологии . 24 (34): 345402. Бибкод : 2013Nanot..24H5402M . дои : 10.1088/0957-4484/24/34/345402 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 23912379 .

[8] Рамиро, Иниго; Кунду, Бисваджит; Далмасес, Мариона; Оздемир, Онур; Питер, Мэри; Константы, Герасим (23 июня 2020 г.). «Внутризонные оптические свойства сильно n-легированных твердотельных пленок коллоидных квантовых точек PbS, зависящих от размера и температуры» . АСУ Нано . 14 (6): 7161–7169. дои : 10.1021/acsnano.0c02033 . hdl : 2117/359290 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 32396326 .

[9] Ворёш, Мартон; Галли, Джулия; Зиманьи, Гергели Т. (28 июля 2015 г.). «Коллоидные наночастицы для солнечных элементов промежуточной зоны» . АСУ Нано . 9 (7): 6882–6890. дои : 10.1021/acsnano.5b00332 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 26042468 .

[10] Александр, М.; Агуас, Х.; Фортунато, Э.; Мартинс, Р.; Мендес, MJ (17 ноября 2021 г.). «Управление светом с помощью квантовых наноструктурированных полупроводниковых точек в хозяине» . Свет: наука и приложения . 10 (1): 231. Бибкод : 2021LSA....10..231A . дои : 10.1038/s41377-021-00671-x . hdl : 10362/128327 . ISSN 2047-7538 .

[11] Рамиро, Иньиго; Марти, Антонио (2021). «Солнечные элементы промежуточного диапазона: настоящее и будущее» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 29 (7): 705–713. дои : 10.1002/pip.3351 . ISSN 1062-7995 .

[ref3-12] Jump up to: ^а ^б ^с Лопес, Н.; Райхертц, Луизиана; Ю, К.М.; Кэмпман, К.; Валукевич, В. (10 января 2011 г.). «Разработка электронной зонной структуры для многозонных солнечных элементов» . Письма о физических отзывах . 106 (2). Американское физическое общество (APS): 028701. Бибкод : 2011PhRvL.106b8701L . doi : 10.1103/physrevlett.106.028701 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21405256 .

[ref16-13] Jump up to: ^а ^б Танака, Тору; Ю, Кин М.; Левандер, Алехандро X.; Дубон, Оскар Д.; Райхертц, Лотар А.; и др. (22 августа 2011 г.). «Демонстрация $ZnTe_{1-x}O_{x}$ Солнечная батарея промежуточного диапазона». Японский журнал прикладной физики . 50 (8). Японское общество прикладной физики: 082304. doi : 10.1143/jjap.50.082304 . ISSN 0021-4922 .

[ref6-14] Луке, Антонио; Марти, Антонио; Стэнли, Колин (5 февраля 2012 г.). «Понимание солнечных элементов промежуточного диапазона» . Природная фотоника . 6 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 146–152. Бибкод : 2012NaPho...6..146L . дои : 10.1038/nphoton.2012.1 . ISSN 1749-4885 .

[ref2-15] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Крич, Джейкоб Дж.; Гальперин, Бертран И.; Аспуру-Гузик, Алан (2012). «Безрадиационное время жизни в фотоэлектрических элементах промежуточной полосы - отсутствие восстановления времени жизни». Журнал прикладной физики . 112 (1). Издательство АИП: 013707–013707–8. arXiv : 1110.5639 . Бибкод : 2012JAP...112a3707K . дои : 10.1063/1.4732085 . ISSN 0021-8979 . S2CID 39531675 .

[ref10-16] Шер, Мэн-Джу; Симмонс, Кристи Б.; Крич, Джейкоб Дж.; Эйки, Остин Дж.; Винклер, Марк Т.; и др. (04 августа 2014 г.). «Динамика пикосекундной рекомбинации носителей в гиперлегированном халькогеном кремнии» . Письма по прикладной физике . 105 (5). Издательство AIP: 053905. Бибкод : 2014ApPhL.105e3905S . дои : 10.1063/1.4892357 . hdl : 1721.1/97242 . ISSN 0003-6951 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]