Плазмонный солнечный элемент

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 возникает фотоэлектрический эффект. в другом материале.

Плазмонный прямого действия солнечный элемент — это солнечный элемент, который преобразует свет в электричество, используя плазмоны в качестве активного фотоэлектрического материала.

Толщина активного материала варьируется от толщины традиционных кремниевых фотоэлектрических панелей ( пластины ~ 100-200 мкм)., толщиной менее 2 мкм, а теоретически может достигать толщины 100 нм. Устройства могут поддерживаться на подложках, более дешевых, чем кремний , таких как стекло , сталь , пластик или другие полимерные материалы (например, бумага). Одной из проблем тонкопленочных солнечных элементов является то, что они не поглощают столько света, сколько более толстые солнечные элементы, изготовленные из материалов с таким же коэффициентом поглощения . Методы улавливания света важны для тонкопленочных солнечных элементов. Плазмонно-усиленные клетки улучшают поглощение за счет рассеяния света с использованием металлических наночастиц, возбуждаемых их локализованным поверхностным плазмонным резонансом . Плазмонные наночастицы ядро-оболочка, расположенные в передней части тонкопленочных солнечных элементов, могут способствовать слабому поглощению Si солнечных элементов в ближней инфракрасной области - доля света, рассеянного на подложку, и максимальное увеличение оптической длины пути могут достигать 3133. С другой стороны, прямые плазмонные солнечные элементы используют тот факт, что падающий свет с частотой плазмонного резонанса индуцирует электронные колебания на поверхности наночастиц. Затем колебательные электроны могут быть захвачены проводящим слоем, производящим электрический ток. Создаваемое напряжение зависит от ширины запрещенной зоны проводящего слоя и потенциала электролита, находящегося в контакте с наночастицами.

Все еще необходимы значительные исследования, чтобы позволить этим технологиям полностью раскрыть свой потенциал и обеспечить коммерциализацию плазмонных солнечных элементов.

История

Устройства

В настоящее время существует три различных поколения солнечных элементов. Первое поколение (те, которые представлены сегодня на рынке) изготовлено из кристаллических полупроводниковых пластин , при этом кристаллический кремний занимает «до 93% рынка и около 75 ГВт, установленных в 2016 году». Современные солнечные элементы улавливают свет, создавая на поверхности пирамиды , размеры которых больше, чем у большинства тонкопленочных солнечных элементов. Была исследована возможность сделать поверхность подложки шероховатой (обычно путем выращивания SnO ₂ или ZnO на поверхности) с размерами порядка входящих длин волн и осаждения СЭ сверху. Этот метод увеличивает фототок , но тогда тонкопленочные солнечные элементы будут иметь плохое качество материала.

Солнечные элементы второго поколения основаны на тонкопленочных технологиях, подобных представленным здесь. Эти солнечные элементы направлены на снижение количества используемого материала, а также на увеличение производства энергии. В настоящее время исследуются солнечные элементы третьего поколения. Они сосредоточены на снижении стоимости солнечных элементов второго поколения. Более подробно СЭ третьего поколения обсуждаются в разделе «Последние достижения».

Дизайн

Конструкция солнечных элементов с плазмонным усилением варьируется в зависимости от метода, используемого для улавливания и рассеяния света по поверхности и через материал.

Клетки наночастиц

PSC с использованием металлических наночастиц.

Распространенная конструкция заключается в нанесении 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 проходить вдоль солнечного элемента и отражаться 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. Недавно было обнаружено, что плазмонные асимметричные моды наночастиц способствуют широкополосному оптическому поглощению и улучшают электрические свойства солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмон-электрические эффекты наночастиц открывают многообещающую особенность плазмона наночастиц.

Недавно наночастица ядро ​​(металл)-оболочка (диэлектрик) продемонстрировала нулевое рассеяние назад с усиленным рассеянием вперед на подложке Si, когда поверхностный плазмон расположен перед солнечным элементом. Наночастицы ядро-оболочка могут одновременно поддерживать как электрический, так и магнитный резонанс, демонстрируя совершенно новые свойства по сравнению с голыми металлическими наночастицами, если резонансы правильно спроектированы.

Несмотря на эти эффекты, нанесение металлических наночастиц на лицевую часть солнечных элементов может привести к значительным оптическим потерям, главным образом из-за частичного затенения и отражения падающего света. Вместо этого их интеграция на задней стороне тонкопленочных устройств, особенно между поглощающим слоем и задним металлическим контактом (действующим как отражающее зеркало), может обойти такие проблемы, поскольку частицы взаимодействуют только с более длинноволновым светом, который слабо -поглощается клеткой, для чего эффекты плазмонного рассеяния могут обеспечить заметное усиление фототока. Такая так называемая конфигурация плазмонного обратного отражателя позволила добиться максимального повышения эффективности фотоэлектрических систем, например, как это было продемонстрировано в тонкопленочных кремниевых солнечных элементах.

Металлопленочные ячейки

Доступны и другие методы использования поверхностных плазмонов для сбора солнечной энергии. Еще один тип структуры состоит из тонкой пленки кремния и тонкого слоя металла, нанесенного 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 распространяются очень далеко в металлы. Если электрическое поле достаточно сильное, электроны можно перемещать и собирать, создавая фототок. Тонкая металлическая пленка в этой конструкции должна иметь канавки нанометрового размера, которые действуют как волноводы для падающего света, чтобы возбудить как можно больше фотонов в тонкой кремниевой пленке.

Принципы

Общий

Тонкопленочный СК (слева) и типичный СК (справа).

Когда фотон возбуждается в подложке солнечного элемента, электрон и дырка разделяются. Как только электроны и дырки разделятся, они захотят воссоединиться, поскольку имеют противоположный заряд. Если электроны удастся собрать до того, как это произойдет, их можно будет использовать в качестве тока для внешней цепи. Проектирование толщины солнечного элемента — это всегда компромисс между минимизацией этой рекомбинации (более тонкие слои) и поглощением большего количества фотонов (более толстый слой).

Наночастицы

Рассеяние и поглощение

Основные принципы функционирования солнечных батарей с плазмонным усилением включают рассеяние и поглощение света за счет осаждения металлических наночастиц. Кремний плохо поглощает свет. По этой причине необходимо рассеивать больше света по поверхности, чтобы увеличить поглощение. Было обнаружено, что металлические наночастицы помогают рассеивать падающий свет по поверхности кремниевой подложки. Уравнения, управляющие рассеянием и поглощением света, можно представить в виде:

• $C_{scat}={\frac {1}{6\pi }}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right)^{4}|\alpha |^{2}$

Это показывает рассеяние света для частиц, диаметр которых меньше длины волны света.

• $C_{abs}={\frac {2\pi }{\lambda }}{\text{Im}}[\alpha ]$

Это показывает поглощение для модели точечного диполя.

• $\alpha =3V\left[{\frac {\epsilon _{p}/\epsilon _{m}-1}{\epsilon _{p}/\epsilon _{m}+2}}\right]$

Это поляризуемость частицы. V – объем частицы. $\epsilon _{p}$ – диэлектрическая функция частицы. $\epsilon _{m}$ – диэлектрическая функция заливочной среды. Когда $\epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}$ поляризуемость частицы становится большой. Эта величина поляризуемости известна как поверхностный плазмонный резонанс. Диэлектрическую функцию металлов с низким поглощением можно определить как:

• $\epsilon =1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}+i\gamma \omega }}$

В предыдущем уравнении $\omega _{p}$ – объемная плазменная частота. Это определяется как:

• $\omega _{p}^{2}=Ne^{2}/m\epsilon _{0}$

N — плотность свободных электронов, e — заряд электрона , а m — эффективная масса электрона. $\epsilon _{0}$ – диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Таким образом, уравнение поверхностного плазмонного резонанса в свободном пространстве можно представить в виде:

• $\alpha =3V{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega _{p}^{2}-3\omega ^{2}-i\gamma \omega }}$

Многие из плазмонных солнечных элементов используют наночастицы для усиления рассеяния света. Эти наночастицы принимают форму сфер, и поэтому частота поверхностного плазмонного резонанса для сфер желательна. Решив предыдущие уравнения , частоту поверхностного плазмонного резонанса сферы в свободном пространстве можно выразить как:

• $\omega _{sp}={\sqrt {3}}\omega _{p}$

Например, при поверхностном плазмонном резонансе наночастицы серебра сечение рассеяния примерно в 10 раз превышает поперечное сечение наночастицы. Цель наночастиц — улавливать свет на поверхности СЭ. Поглощение света не важно для наночастицы, оно важно для СК. Можно было бы подумать, что если наночастица увеличивается в размерах, то и сечение рассеяния становится больше. Это действительно так, однако по сравнению с размером наночастицы соотношение ( $CS_{scat}/CS_{particle}$) снижается. Частицы с большим сечением рассеяния имеют тенденцию иметь более широкий диапазон плазмонного резонанса.

Зависимость от длины волны

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

• Алюминий - Ультрафиолетовый
• Серебро - Ультрафиолетовый
• Золото  – видимое
• Медь – видимая

Если диэлектрическая проницаемость заливочной среды меняется, резонансная частота может смещаться. Более высокие показатели преломления приведут к большей резонансной длине волны.

Световой захват

Металлические наночастицы осаждаются на расстоянии от подложки, чтобы улавливать свет между подложкой и частицами. Частицы внедрены в материал поверх подложки. Материал обычно представляет собой диэлектрик , такой как кремний или нитрид кремния . При проведении экспериментов и моделировании количества света, рассеянного на подложке из-за расстояния между частицей и подложкой, в качестве заполняющего материала в качестве эталона используется воздух. Было обнаружено, что количество света, излучаемого в подложку, уменьшается по мере удаления от подложки. Это означает, что наночастицы на поверхности желательны для излучения света в подложку, но если между частицей и подложкой нет расстояния, свет не улавливается и больше света уходит.

Поверхностные плазмоны представляют собой возбуждения электронов проводимости на границе раздела металла и диэлектрика. Металлические наночастицы можно использовать для связывания и улавливания свободно распространяющихся плоских волн в тонкопленочный слой полупроводника. Свет можно сложить в поглощающий слой, чтобы увеличить поглощение. В настоящее время интерес представляют локализованные поверхностные плазмоны в металлических наночастицах и поверхностные плазмон-поляритоны на границе раздела металла и полупроводника. В недавних работах форма и размер металлических наночастиц являются ключевыми факторами, определяющими эффективность связи. Частицы меньшего размера имеют большую эффективность связи из-за улучшенной связи в ближнем поле. Однако очень мелкие частицы страдают от больших омических потерь.

Тем не менее, в некоторых типах наноструктурированных солнечных элементов, таких как новые солнечные элементы с квантовыми точками в промежуточной зоне , высокоинтенсивное рассеянное ближнее поле, создаваемое вблизи плазмонных наночастиц, может быть использовано для локального усиления поглощения в квантовых точках, которые встроены. в основном полупроводнике.

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

Металлическая пленка

Когда свет падает на поверхность металлической пленки, он возбуждает поверхностные плазмоны. Частота поверхностных плазмонов специфична для материала, но за счет использования решеток на поверхности пленки можно получить разные частоты. Поверхностные плазмоны также сохраняются за счет использования волноводов, поскольку они облегчают перемещение поверхностных плазмонов по поверхности, а потери из-за сопротивления и излучения сводятся к минимуму. Электрическое поле, создаваемое поверхностными плазмонами, заставляет электроны двигаться к собирающей подложке.

Материалы

Первое поколение	Второе поколение	Третье поколение
Монокристаллический кремний	CuInSe2	Фосфид галлия-индия
Мультикристаллический кремний	Аморфный кремний	Галлий, арсенид индия
Поликристаллический кремний	Тонкопленочный кристаллический Si	германий

Приложения

Существует множество применений солнечных элементов с плазмонным усилением. Потребность в более дешевых и эффективных солнечных элементах значительна. Чтобы солнечные элементы считались экономически эффективными, они должны обеспечивать энергию по меньшей цене, чем стоимость традиционных источников энергии, таких как уголь и бензин . Движение к более «зеленому» миру помогло стимулировать исследования в области солнечных элементов с плазмонным усилением. В настоящее время эффективность солнечных элементов не может превышать около 30% (первое поколение). Благодаря новым технологиям (третьего поколения) можно ожидать повышения эффективности до 40–60%. За счет сокращения количества материалов за счет использования технологии тонких пленок (второе поколение) цены могут быть снижены.

Определенные области применения солнечных элементов с плазмонным усилением будут использоваться в космических аппаратах для исследования космоса . Основным вкладом в это станет уменьшение веса солнечных элементов. Внешний источник топлива также не понадобится, если солнечные элементы смогут генерировать достаточно энергии. Это также значительно поможет снизить вес.

Солнечные батареи обладают огромным потенциалом для электрификации сельской местности . По оценкам, два миллиона деревень вблизи экватора имеют ограниченный доступ к электроэнергии и ископаемому топливу, и примерно 25% людей в мире не имеют доступа к электричеству. Когда стоимость расширения электросетей , подачи электроэнергии в сельской местности и использования дизельных генераторов сравнивается со стоимостью солнечных батарей, во многих случаях солнечные батареи превосходят их. Если эффективность и стоимость нынешней технологии солнечных батарей снизятся еще больше, то многие сельские общины и деревни по всему миру смогут получать электроэнергию, когда о нынешних методах не может быть и речи. Конкретными приложениями для сельских сообществ могут быть насосные системы, электроснабжение жилых домов и уличное освещение. Особенно интересное применение могло бы быть для систем здравоохранения в странах, где автомобили не слишком распространены. Солнечные элементы могут использоваться для обеспечения энергией для охлаждения лекарств в холодильниках во время транспортировки.

Солнечные батареи также могут обеспечивать электроэнергией маяки , буи и даже линкоры в океане. Промышленные компании могли бы использовать их для питания телекоммуникационных систем или систем мониторинга и контроля вдоль трубопроводов.

Если бы солнечные элементы могли производиться в больших масштабах и были бы экономически эффективными, то можно было бы построить целые электростанции для обеспечения электроэнергией электрических сетей. Благодаря уменьшению размеров их можно было бы использовать как в коммерческих, так и в жилых зданиях, занимая гораздо меньшую площадь.

Другие приложения находятся в гибридных системах. Солнечные элементы могут помочь питать устройства с высоким потреблением энергии, такие как автомобили , чтобы сократить количество используемого ископаемого топлива.

В устройствах бытовой электроники солнечные элементы могут использоваться для замены батарей маломощной электроники. Это сэкономит деньги, а также уменьшит количество отходов, попадающих на свалки .

Последние достижения

Выбор плазмонных металлических наночастиц

Правильный выбор плазменных наночастиц металлов 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, поскольку их поверхностные плазмонные резонансы расположены в видимом диапазоне и поэтому сильнее взаимодействуют с пиковой солнечной интенсивностью. Однако такие наночастицы благородных металлов всегда приводят к уменьшению световой связи с Si на коротких длинах волн ниже поверхностного плазмонного резонанса из-за вредного эффекта Фано, то есть деструктивной интерференции между рассеянным и нерассеянным светом. Более того, наночастицы благородных металлов нецелесообразно использовать для крупномасштабного производства солнечных элементов из-за их высокой стоимости и редкости в земной коре. Недавно Чжан и др. продемонстрировали, что недорогие и богатые землей наночастицы алюминия (Al) могут превосходить широко используемые наночастицы Ag и Au. Наночастицы Al, чьи поверхностные плазмонные резонансы расположены в УФ-области ниже желаемого края солнечного спектра при длине волны 300 нм, могут избежать уменьшения и обеспечить дополнительное усиление в более коротковолновом диапазоне.

Выбор формы наночастиц

Форма	Ссылка.
Наносфера
Наностар
Наночастица ядро-оболочка
Нанодиск
Нанополость
Нановоид
Зародышевая наночастица
Наноклетка
Наночастица ядро-оболочка

Улавливание света для улучшения поглощения

Как обсуждалось ранее, возможность концентрировать и рассеивать свет с поверхности или задней стороны солнечной батареи с плазмонным усилением поможет повысить эффективность, особенно при использовании тонких фотоэлектрических материалов.

Недавно исследования в Национальной лаборатории Сандии обнаружили фотонный волновод, который собирает свет определенной длины волны и удерживает его внутри структуры. Эта новая структура может содержать 95% попадающего на нее света 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. Длину волны, которую улавливает это устройство, можно выбрать, изменив структуру решетки, из которой состоит эта структура. Если эту структуру использовать 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.

Еще одним недавним достижением в области солнечных элементов с плазмонным усилением является использование других методов, способствующих поглощению света. Один из исследуемых методов — использование металлических проводов поверх подложки для рассеивания света. Это могло бы помочь за счет использования большей площади поверхности солнечного элемента для рассеяния и поглощения света. Опасность использования линий вместо точек может заключаться в создании отражающего слоя, который будет отклонять свет от системы. Это очень нежелательно для солнечных батарей. Это было бы очень похоже на подход с использованием тонких металлических пленок, но он также использует эффект рассеяния наночастиц. Юэ и др. использовали тип новых материалов, называемых топологическими изоляторами, для увеличения поглощения ультратонких солнечных элементов a-Si. Топологическая наноструктура изолятора по своей сути имеет конфигурацию ядро-оболочка. Сердечник является диэлектриком и имеет сверхвысокий показатель преломления. Оболочка металлическая 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.

Третье поколение

Целью солнечных элементов третьего поколения является повышение эффективности за счет использования солнечных элементов второго поколения (тонких пленок) и материалов, которые в изобилии встречаются на Земле. Это также было целью тонкопленочных солнечных элементов. Благодаря использованию обычных и безопасных материалов солнечные элементы третьего поколения смогут производиться в массовых количествах, что еще больше снизит затраты. Первоначальные затраты на реализацию производственных процессов будут высокими, но после этого они должны быть дешевыми. Способ, которым солнечные элементы третьего поколения смогут повысить эффективность, — это поглощение более широкого диапазона частот. Современная технология тонких пленок ограничена одной частотой из-за использования устройств с одной запрещенной зоной.

Несколько уровней энергии

Идея солнечных элементов с несколькими энергетическими уровнями заключается в том, чтобы укладывать тонкопленочные солнечные элементы друг на друга. Каждый тонкопленочный солнечный элемент будет иметь разную запрещенную зону, что означает, что если часть солнечного спектра не поглощается первым элементом, то тот, что находится чуть ниже, сможет поглотить часть спектра. Их можно складывать друг на друга, и для каждой ячейки можно использовать оптимальную запрещенную зону, чтобы производить максимальное количество энергии. Существует несколько вариантов подключения каждой ячейки, например последовательное или параллельное. Последовательное соединение желательно, поскольку на выходе солнечного элемента будет всего два провода.

Структура решетки в каждой из тонкопленочных ячеек должна быть одинаковой. Если этого не будет, то будут потери. Процессы, используемые для нанесения слоев, сложны. К ним относятся молекулярно-лучевая эпитаксия и металлоорганическая парофазная эпитаксия. Запись эффективности по току достигается с помощью этого процесса, но не имеет точного соответствия константам решетки. Потери из-за этого не так эффективны, поскольку различия в решетках позволяют использовать более оптимальный материал запрещенной зоны для первых двух ячеек. Ожидается, что этот тип ячеек будет иметь эффективность на 50%.

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

Горячие несущие ячейки

Проблема с солнечными элементами заключается в том, что фотоны высокой энергии, попадающие на поверхность, преобразуются в тепло. Это потеря для клетки, поскольку поступающие фотоны не преобразуются в полезную энергию. Идея ячейки с горячим носителем заключается в использовании части поступающей энергии, которая преобразуется в тепло. Если электроны и дырки могут быть собраны в горячем состоянии, от ячейки можно получить более высокое напряжение. Проблема в том, что контакты, собирающие электроны и дырки, будут охлаждать материал. До сих пор защита контактов от охлаждения элемента была теоретической. Другой способ повысить эффективность солнечного элемента с использованием выделяемого тепла — создать элемент, который позволяет фотонам с более низкой энергией возбуждать пары электронов и дырок. Для этого нужна небольшая запрещенная зона. Используя селективный контакт, можно собирать электроны и дырки с более низкой энергией, позволяя электронам с более высокой энергией продолжать движение через клетку. Селективные контакты выполнены с использованием двойной барьерной резонансно-туннельной структуры. Носители охлаждаются и рассеиваются с фононами. Если материал имеет большую запрещенную зону фононов, то носители перенесут 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 приближаться к экспериментальной стадии.

Плазмонно-электрические солнечные элементы

Обладая уникальными характеристиками настраиваемых резонансов и беспрецедентным улучшением ближнего поля, плазмон является эффективным методом управления светом. В последнее время характеристики тонкопленочных солнечных элементов были значительно улучшены за счет введения металлических наноструктур. Улучшения в основном связаны с плазмонно-оптическими эффектами для управления распространением, поглощением и рассеянием света. Плазмонно-оптические эффекты могут: (1) усилить оптическое поглощение активных материалов; (2) пространственно перераспределить поглощение света в активном слое из-за локализованного усиления ближнего поля вокруг металлических наноструктур. эффекты плазмонно-модифицированной рекомбинации , транспорта и сбора фотоносителей (электронов и дырок), называемые далее плазмонно-электрическими эффектами. Кроме плазмонно-оптических эффектов, Ша и др. предложили Для повышения производительности устройства они разработали общее правило проектирования, адаптированное к произвольному соотношению подвижностей электронов и дырок, чтобы определить пути транспортировки фотоносителей. Правило проектирования предполагает, что соотношение транспортных длин электронов и дырок должно быть сбалансировано соотношением подвижностей электронов и дырок. Другими словами, время транспортировки электронов и дырок (от начальных мест генерации к соответствующим электродам) должно быть одинаковым. Общее правило проектирования можно реализовать путем пространственного перераспределения поглощения света на активном слое приборов (с плазмонно-электрическим эффектом). Они также продемонстрировали нарушение предела пространственного заряда в плазмонно-электрическом органическом солнечном элементе. Недавно было обнаружено, что плазмонные асимметричные моды наночастиц способствуют широкополосному оптическому поглощению и улучшают электрические свойства солнечных элементов. Одновременно плазмонно-оптические и плазмон-электрические эффекты наночастиц открывают многообещающую особенность плазмона наночастиц.

Ультратонкие плазмонные солнечные элементы

Уменьшение толщины кремниевых пластин при минимальных потерях эффективности представляет собой основную тенденцию в повышении экономической эффективности солнечных элементов на основе пластин. Недавно Чжан и др. продемонстрировали, что, используя усовершенствованную стратегию улавливания света с правильно спроектированной архитектурой наночастиц, толщину пластины можно значительно уменьшить примерно до 1/10 нынешней толщины (180 мкм) без какой-либо потери эффективности солнечных элементов на 18,2%. Интегрированные наночастицы ультратонких солнечных элементов с толщиной всего 3% от нынешней толщины пластины потенциально могут достичь эффективности 15,3%, сочетая улучшение поглощения с преимуществом более тонкой пластины, индуцированной увеличением напряжения разомкнутой цепи. Это означает экономию материала 97 % при относительной потере эффективности лишь 15 %. Эти результаты демонстрируют возможность и перспективность создания высокоэффективных ультратонких кремниевых пластинчатых ячеек с плазмонным захватом света.

Прямые плазмонные солнечные элементы

Разработка прямых плазмонных солнечных элементов, которые используют плазмонные наночастицы непосредственно в качестве поглотителей света, произошла гораздо позже, чем клетки с плазмонным усилением.

В 2013 году было подтверждено, что горячие носители в плазмонных наночастицах могут генерироваться путем возбуждения локализованного поверхностного плазмонного резонанса. 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 можно инжектировать в полупроводник p-типа. Такое разделение зарядов позволяет напрямую использовать плазмонные наночастицы в качестве поглотителей света в фотоэлектрических элементах.

Компания Peafowl Solar Power, дочерняя компания Уппсальского университета, разрабатывает технологию прямых плазмонных солнечных батарей для коммерческого применения, например, прозрачных солнечных элементов для динамического стекла.