Célula solar plasmónica

Tipo de célula solar

Una célula solar mejorada plasmónicamente , comúnmente denominada simplemente célula solar plasmónica, es un tipo de célula solar (incluidas las células de película delgada o basadas en obleas) que convierte la luz en electricidad con la ayuda de plasmones , pero donde el efecto fotovoltaico ocurre en otro material. ^{[1] [2] [3]}

Una célula solar plasmónica directa es una célula solar que convierte la luz en electricidad utilizando plasmones como material fotovoltaico activo.

El espesor del material activo varía desde el del silicio fotovoltaico tradicional (obleas de ~100-200 μm), ^[4] hasta menos de 2 μm de espesor, y teóricamente podría ser tan delgado como 100 nm. ^[5] Los dispositivos pueden soportarse en sustratos más baratos que el silicio , como vidrio , acero , plástico u otros materiales poliméricos (por ejemplo, papel). ^[6] Uno de los desafíos para las células solares de película delgada es que no absorben tanta luz como las células solares más gruesas hechas con materiales con el mismo coeficiente de absorción . Los métodos para atrapar la luz son importantes para las células solares de película delgada. ^[7] Las células mejoradas plasmónicamente mejoran la absorción dispersando la luz usando nanopartículas metálicas excitadas en su resonancia plasmónica superficial localizada . ^[8] Las nanopartículas plasmónicas de núcleo-capa ubicadas en la parte frontal de las células solares de película delgada pueden ayudar a la absorción débil de las células solares de Si en la región del infrarrojo cercano: la fracción de luz dispersada en el sustrato y la mejora máxima de la longitud del camino óptico pueden ser tan altas como 3133. ^[3] Por otro lado, las células solares plasmónicas directas explotan el hecho de que la luz entrante en la frecuencia de resonancia del plasmón induce oscilaciones de electrones en la superficie de las nanopartículas. Los electrones de oscilación pueden luego ser capturados por una capa conductora que produce una corriente eléctrica. El voltaje producido depende de la banda prohibida de la capa conductora y del potencial del electrolito en contacto con las nanopartículas.

Aún es necesaria una considerable investigación para permitir que estas tecnologías alcancen su máximo potencial y posibiliten la comercialización de células solares plasmónicas. ^[5]

Historia

Dispositivos

Actualmente existen tres generaciones diferentes de células solares. La primera generación (las que se encuentran en el mercado hoy en día) se fabrica con obleas de semiconductores cristalinos , en las que el silicio cristalino representa "hasta el 93% de la cuota de mercado y unos 75 GW instalados en 2016". ^[9] Las células solares actuales atrapan la luz creando pirámides en la superficie que tienen dimensiones mayores que la mayoría de las células solares de película fina. Se ha explorado la posibilidad de hacer que la superficie del sustrato sea rugosa (normalmente mediante el crecimiento de SnO ₂ o ZnO en la superficie) con dimensiones del orden de las longitudes de onda entrantes y depositar el SC en la parte superior. Este método aumenta la fotocorriente , pero las células solares de película fina tendrían entonces una calidad de material deficiente. ^[10]

Las células solares de segunda generación se basan en tecnologías de película delgada como las que se presentan aquí. Estas células solares se centran en reducir la cantidad de material utilizado, así como en aumentar la producción de energía. Actualmente se están investigando células solares de tercera generación. Se centran en reducir el coste de las células solares de segunda generación. ^[11] Las células solares de tercera generación se analizan con más detalle en la sección "Avances recientes".

Diseño

El diseño de las células solares mejoradas plasmónicamente varía dependiendo del método utilizado para atrapar y dispersar la luz a través de la superficie y del material.

Células de nanopartículas

PSC utilizando nanopartículas metálicas.

Un diseño común es depositar nanopartículas metálicas en la superficie superior de la célula solar. Cuando la luz incide sobre estas nanopartículas metálicas en su resonancia plasmónica superficial, la luz se dispersa en muchas direcciones diferentes. Esto permite que la luz viaje a lo largo de la célula solar y rebote entre el sustrato y las nanopartículas, lo que permite que la célula solar absorba más luz. ^[12] La intensidad de campo cercano concentrada inducida por el plasmón superficial localizado de las nanopartículas metálicas promoverá la absorción óptica de los semiconductores. Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de las nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. ^[13] Los efectos plasmónicos-ópticos y plasmónicos-eléctricos simultáneos de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de las nanopartículas.

Recientemente, la nanopartícula de núcleo (metal)-capa (dieléctrica) ha demostrado una dispersión hacia atrás cero con dispersión hacia adelante mejorada en el sustrato de Si cuando el plasmón de superficie se ubica frente a una célula solar. ^[14] Las nanopartículas de núcleo-capa pueden soportar simultáneamente resonancias eléctricas y magnéticas, lo que demuestra propiedades completamente nuevas en comparación con las nanopartículas metálicas desnudas si las resonancias están diseñadas adecuadamente.

A pesar de estos efectos, la aplicación de nanopartículas metálicas en la parte frontal de las células solares puede generar pérdidas ópticas considerables, principalmente debido al sombreado parcial y la reflexión de la luz incidente. En cambio, su integración en la parte posterior de los dispositivos de película delgada, particularmente entre la capa absorbente y el contacto metálico posterior (que actúa como espejo reflectante), puede evitar estos problemas, ya que las partículas interactúan solo con la luz de longitud de onda más larga que es absorbida débilmente por la célula, para la cual los efectos de dispersión plasmónica pueden permitir ganancias pronunciadas de fotocorriente. ^[15] Esta configuración denominada de reflector posterior plasmónico ha permitido las mayores mejoras de eficiencia fotovoltaica, por ejemplo, como se demostró en células solares de silicio de película delgada. ^{[16] [17]}

Celdas de película metálica

Existen otros métodos que utilizan plasmones de superficie para captar energía solar. Otro tipo de estructura consiste en tener una película delgada de silicio y una capa delgada de metal depositada en la superficie inferior. La luz viajará a través del silicio y generará plasmones de superficie en la interfaz del silicio y el metal. Esto genera campos eléctricos dentro del silicio, ya que los campos eléctricos no viajan muy lejos en los metales. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, los electrones se pueden mover y recolectar para producir una fotocorriente. La película delgada de metal en este diseño debe tener ranuras de tamaño nanométrico que actúen como guías de ondas para la luz entrante con el fin de excitar tantos fotones en la película delgada de silicio como sea posible. ^[18]

Principios

General

Película delgada SC (izquierda) y SC típica (derecha).

Cuando se excita un fotón en el sustrato de una célula solar, se separan un electrón y un hueco. Una vez que los electrones y los huecos se separan, querrán recombinarse, ya que tienen cargas opuestas. Si los electrones se pueden recoger antes de que esto suceda, se pueden utilizar como corriente para un circuito externo. El diseño del espesor de una célula solar siempre es un equilibrio entre minimizar esta recombinación (capas más delgadas) y absorber más fotones (capa más gruesa). ^[12]

Nanopartículas

Dispersión y absorción

Los principios básicos para el funcionamiento de las células solares mejoradas con plasmones incluyen la dispersión y absorción de la luz debido a la deposición de nanopartículas metálicas. El silicio no absorbe muy bien la luz. Por este motivo, es necesario dispersar más luz por la superficie para aumentar la absorción. Se ha descubierto que las nanopartículas metálicas ayudan a dispersar la luz entrante por la superficie del sustrato de silicio. Las ecuaciones que rigen la dispersión y absorción de la luz se pueden representar de la siguiente manera:

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

Esto muestra la dispersión de la luz para partículas que tienen diámetros inferiores a la longitud de onda de la luz.

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

Esto muestra la absorción de un modelo dipolar puntual.

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

Esta es la polarizabilidad de la partícula. V es el volumen de la partícula. es la función dieléctrica de la partícula. es la función dieléctrica del medio de incrustación. Cuando la polarizabilidad de la partícula se vuelve grande. Este valor de polarizabilidad se conoce como resonancia plasmónica superficial. La función dieléctrica para metales con baja absorción se puede definir como: ${\displaystyle \epsilon _{p}}$ ${\displaystyle \epsilon _{m}}$ ${\displaystyle \epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}}$

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

En la ecuación anterior, es la frecuencia del plasma en masa. Esta se define como: ${\displaystyle \omega _{p}}$

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

N es la densidad de electrones libres, e es la carga electrónica y m es la masa efectiva de un electrón. es la constante dieléctrica del espacio libre. La ecuación para la resonancia plasmónica superficial en el espacio libre puede representarse por lo tanto mediante: ${\displaystyle \epsilon _{0}}$

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

Muchas de las células solares plasmónicas utilizan nanopartículas para mejorar la dispersión de la luz. Estas nanopartículas toman la forma de esferas y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia del plasmón de superficie para esferas es deseable. Al resolver las ecuaciones anteriores , la frecuencia de resonancia del plasmón de superficie para una esfera en el espacio libre se puede mostrar como:

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

Como ejemplo, en la resonancia plasmónica de superficie para una nanopartícula de plata , la sección transversal de dispersión es aproximadamente 10 veces la sección transversal de la nanopartícula. El objetivo de las nanopartículas es atrapar la luz en la superficie de la SC. La absorción de luz no es importante para la nanopartícula, más bien, es importante para la SC. Uno pensaría que si se aumenta el tamaño de la nanopartícula, entonces la sección transversal de dispersión se vuelve más grande. Esto es cierto, sin embargo, cuando se compara con el tamaño de la nanopartícula, la relación ( ) se reduce. Las partículas con una gran sección transversal de dispersión tienden a tener un rango de resonancia plasmónica más amplio. ${\displaystyle CS_{scat}/CS_{particle}}$

Dependencia de la longitud de onda

La resonancia plasmónica superficial depende principalmente de la densidad de electrones libres en la partícula. A continuación se muestra el orden de densidades de electrones para diferentes metales junto con el tipo de luz que corresponde a la resonancia.

• Aluminio - Ultravioleta
• Plata - Ultravioleta
• Oro - Visible
• Cobre - Visible

Si se varía la constante dieléctrica del medio de incrustación, se puede modificar la frecuencia de resonancia . Los índices de refracción más elevados darán lugar a una longitud de onda de resonancia más larga.

Atrapamiento de luz

Las nanopartículas metálicas se depositan a cierta distancia del sustrato para atrapar la luz entre el sustrato y las partículas. Las partículas se incrustan en un material sobre el sustrato. El material suele ser un dieléctrico , como el silicio o el nitruro de silicio . Al realizar experimentos y simulaciones sobre la cantidad de luz dispersada en el sustrato debido a la distancia entre la partícula y el sustrato, se utiliza aire como material de incrustación como referencia. Se ha descubierto que la cantidad de luz irradiada hacia el sustrato disminuye con la distancia desde el sustrato. Esto significa que las nanopartículas en la superficie son deseables para irradiar luz hacia el sustrato, pero si no hay distancia entre la partícula y el sustrato, entonces la luz no queda atrapada y se escapa más luz.

Los plasmones superficiales son las excitaciones de los electrones de conducción en la interfaz del metal y el dieléctrico. Las nanopartículas metálicas se pueden utilizar para acoplar y atrapar ondas planas que se propagan libremente en la capa delgada de película semiconductora. La luz se puede plegar en la capa absorbente para aumentar la absorción. Los plasmones superficiales localizados en nanopartículas metálicas y los polaritones plasmónicos superficiales en la interfaz del metal y el semiconductor son de interés en la investigación actual. En artículos publicados recientemente, la forma y el tamaño de las nanopartículas metálicas son factores clave para determinar la eficiencia de acoplamiento. Las partículas más pequeñas tienen una mayor eficiencia de acoplamiento debido al acoplamiento de campo cercano mejorado. Sin embargo, las partículas muy pequeñas sufren grandes pérdidas óhmicas. ^[19]

Sin embargo, en ciertos tipos de células solares nanoestructuradas, como las emergentes células solares de banda intermedia de puntos cuánticos , el campo cercano disperso altamente intenso producido en la proximidad de las nanopartículas plasmónicas se puede aprovechar para la amplificación de la absorción local en los puntos cuánticos que están integrados en un semiconductor anfitrión. ^{[20] [21]}

Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de las nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. Los efectos plasmónicos-ópticos y plasmónicos-eléctricos simultáneos de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de las nanopartículas. ^[13]

Película de metal

Cuando la luz incide sobre la superficie de la película metálica, excita los plasmones superficiales. La frecuencia de los plasmones superficiales es específica para el material, pero mediante el uso de rejillas en la superficie de la película, se pueden obtener diferentes frecuencias. Los plasmones superficiales también se conservan mediante el uso de guías de ondas, ya que facilitan su desplazamiento por la superficie y se minimizan las pérdidas debidas a la resistencia y la radiación. El campo eléctrico generado por los plasmones superficiales influye en los electrones para que viajen hacia el sustrato colector. ^[22]

Materiales

^{[11] [23]}

Aplicaciones

Las células solares mejoradas con plasmones tienen muchas aplicaciones. Existe una gran necesidad de células solares más baratas y eficientes. Para que las células solares se consideren rentables, deben proporcionar energía a un precio menor que el de las fuentes de energía tradicionales, como el carbón y la gasolina . El movimiento hacia un mundo más verde ha contribuido a impulsar la investigación en el área de las células solares mejoradas con plasmones. Actualmente, las células solares no pueden superar las eficiencias de aproximadamente el 30% (primera generación). Con nuevas tecnologías (tercera generación), se pueden esperar eficiencias de hasta el 40-60%. Con una reducción de materiales mediante el uso de tecnología de película delgada (segunda generación), se pueden reducir los precios.

Las células solares mejoradas con plasmones se podrían utilizar en vehículos de exploración espacial . Una de las principales ventajas de ello sería la reducción del peso de las células solares. Además, si se pudiera generar suficiente energía a partir de las células solares, no sería necesaria una fuente de combustible externa, lo que también contribuiría a reducir drásticamente el peso.

Las células solares tienen un gran potencial para ayudar a la electrificación rural . Se estima que dos millones de aldeas cerca del ecuador tienen acceso limitado a la electricidad y a los combustibles fósiles, y aproximadamente el 25% ^[24] de las personas en el mundo no tienen acceso a la electricidad. Cuando se compara el costo de extender las redes eléctricas , hacer funcionar la electricidad rural y usar generadores diésel con el costo de las células solares, en muchos casos las células solares son superiores. Si la eficiencia y el costo de la tecnología actual de células solares se reducen aún más, entonces muchas comunidades rurales y aldeas de todo el mundo podrían obtener electricidad cuando los métodos actuales están fuera de cuestión. Las aplicaciones específicas para las comunidades rurales serían los sistemas de bombeo de agua, el suministro eléctrico residencial y el alumbrado público. Una aplicación particularmente interesante sería para los sistemas de salud en países donde los vehículos motorizados no son demasiado abundantes. Las células solares podrían usarse para proporcionar la energía para refrigerar medicamentos en hieleras durante el transporte.

Las células solares también podrían suministrar energía a faros , boyas o incluso acorazados en el océano. Las empresas industriales podrían utilizarlas para alimentar sistemas de telecomunicaciones o sistemas de control y monitoreo a lo largo de tuberías. ^[25]

Si las células solares pudieran producirse a gran escala y resultar rentables, se podrían construir centrales eléctricas enteras para abastecer de energía a las redes eléctricas. Con una reducción de tamaño, podrían implementarse tanto en edificios comerciales como residenciales con un espacio mucho más reducido. ^[25]

Otras aplicaciones se encuentran en los sistemas híbridos. Las células solares podrían ayudar a alimentar dispositivos de alto consumo, como los automóviles , para reducir la cantidad de combustibles fósiles utilizados.

En los dispositivos electrónicos de consumo, las células solares podrían utilizarse para sustituir las baterías de los aparatos electrónicos de bajo consumo, lo que supondría un ahorro de dinero y reduciría también la cantidad de residuos que acaban en los vertederos . ^[26]

Avances recientes

Selección de nanopartículas metálicas plasmónicas

La elección adecuada de las nanopartículas plasmáticas de metal es crucial para la máxima absorción de luz en la capa activa. Las nanopartículas de plata y oro (Ag y Au) ubicadas en la superficie frontal son los materiales más utilizados debido a que sus resonancias de plasmón superficial se encuentran en el rango visible, por lo que interactúan más fuertemente con la intensidad solar máxima. Sin embargo, estas nanopartículas de metal noble siempre introducen un acoplamiento de luz reducido en Si en las longitudes de onda cortas por debajo de la resonancia de plasmón superficial debido al efecto Fano perjudicial, es decir, la interferencia destructiva entre la luz dispersa y no dispersa. Además, las nanopartículas de metal noble son poco prácticas para su uso en la fabricación de células solares a gran escala debido a su alto costo y escasez en la corteza terrestre. Recientemente, Zhang et al. demostraron que las nanopartículas de aluminio (Al) de bajo costo y abundantes en la tierra pueden superar a las nanopartículas de Ag y Au ampliamente utilizadas. Las nanopartículas de Al, con sus resonancias plasmónicas superficiales ubicadas en la región UV por debajo del borde deseado del espectro solar a 300 nm, pueden evitar la reducción e introducir una mejora adicional en el rango de longitud de onda más corto. ^{[27] [28]}

Elección de la forma de las nanopartículas

Atrapamiento de luz para mejorar la absorción

Como se mencionó anteriormente, poder concentrar y dispersar la luz desde la superficie o la parte posterior de la célula solar mejorada con plasmonía ayudará a aumentar la eficiencia, en particular cuando se emplean materiales fotovoltaicos delgados. ^[36]

Recientemente, una investigación en los Laboratorios Nacionales Sandia ha descubierto una guía de ondas fotónica que recoge la luz en una determinada longitud de onda y la atrapa dentro de su estructura. Esta nueva estructura puede contener el 95% de la luz que entra en ella, en comparación con el 30% de otras guías de ondas tradicionales. También puede dirigir la luz dentro de una longitud de onda que es diez veces mayor que la de las guías de ondas tradicionales. La longitud de onda que captura este dispositivo se puede seleccionar modificando la estructura de la red que compone la estructura. Si se utiliza esta estructura para atrapar la luz y mantenerla en la estructura hasta que la célula solar pueda absorberla, la eficiencia de la célula solar podría aumentar drásticamente. ^[37]

Otro avance reciente en las células solares mejoradas con plasmones es el uso de otros métodos para ayudar en la absorción de la luz. Un método que se está investigando es el uso de cables de metal sobre el sustrato para dispersar la luz. Esto ayudaría al utilizar un área más grande de la superficie de la célula solar para la dispersión y absorción de la luz. El peligro de usar líneas en lugar de puntos sería crear una capa reflectante que rechazaría la luz del sistema. Esto es muy indeseable para las células solares. Esto sería muy similar al enfoque de película metálica delgada, pero también utiliza el efecto de dispersión de las nanopartículas. ^[38] Yue et al. utilizaron un tipo de nuevos materiales, llamados aislantes topológicos, para aumentar la absorción de células solares ultradelgadas de silicio amorfo. La nanoestructura del aislante topológico tiene una configuración intrínsecamente de núcleo-capa. El núcleo es dieléctrico y tiene un índice de refracción ultraalto. La capa es metálica y soporta resonancias de plasmones superficiales. Mediante la integración de matrices de nanoconos en células solares de película delgada de a-Si, se predijo una mejora de hasta un 15 % en la absorción de luz en los rangos ultravioleta y visible. ^[39]

Tercera generación

El objetivo de las células solares de tercera generación es aumentar la eficiencia utilizando células solares de segunda generación (película delgada) y utilizando materiales que se encuentran en abundancia en la Tierra. Este también ha sido un objetivo de las células solares de película delgada. Con el uso de materiales comunes y seguros, las células solares de tercera generación deberían poder fabricarse en cantidades masivas, reduciendo aún más los costos. Los costos iniciales serían altos para producir los procesos de fabricación, pero después deberían ser baratos. La forma en que las células solares de tercera generación podrán mejorar la eficiencia es absorber un rango más amplio de frecuencias. La tecnología actual de película delgada se ha limitado a una frecuencia debido al uso de dispositivos de banda única. ^[11]

Múltiples niveles de energía

La idea de las células solares de múltiples niveles de energía es básicamente apilar células solares de película fina una encima de otra. Cada célula solar de película fina tendría un intervalo de banda diferente, lo que significa que si parte del espectro solar no fuera absorbido por la primera célula, entonces la que está justo debajo podría absorber parte del espectro. Estas pueden apilarse y se puede utilizar un intervalo de banda óptimo para cada célula con el fin de producir la máxima cantidad de energía. Hay múltiples opciones para la forma en que se puede conectar cada célula, como en serie o en paralelo. La conexión en serie es la deseada porque la salida de la célula solar serían solo dos cables.

La estructura reticular de cada una de las celdas de película fina debe ser la misma. Si no lo es, habrá pérdidas. Los procesos utilizados para depositar las capas son complejos. Incluyen la epitaxia de haz molecular y la epitaxia de fase de vapor de organometal. El récord de eficiencia actual se logra con este proceso, pero no tiene constantes reticulares exactamente coincidentes. Las pérdidas debidas a esto no son tan efectivas porque las diferencias en las redes permiten un material de banda prohibida más óptimo para las dos primeras celdas. Se espera que este tipo de celda pueda tener una eficiencia del 50%.

También se están investigando materiales de menor calidad que utilizan procesos de deposición más económicos. Estos dispositivos no son tan eficientes, pero su precio, tamaño y potencia combinados permiten que sean igual de rentables. Como los procesos son más sencillos y los materiales están más disponibles, la producción en masa de estos dispositivos es más económica.

Celdas portadoras calientes

Un problema con las células solares es que los fotones de alta energía que golpean la superficie se convierten en calor. Esto es una pérdida para la célula porque los fotones entrantes no se convierten en energía utilizable. La idea detrás de la célula portadora caliente es utilizar parte de esa energía entrante que se convierte en calor. Si los electrones y los huecos se pueden recoger mientras están calientes, se puede obtener un voltaje más alto de la célula. El problema de hacer esto es que los contactos que recogen los electrones y los huecos enfriarán el material. Hasta ahora, evitar que los contactos enfríen la célula ha sido teórico. Otra forma de mejorar la eficiencia de la célula solar utilizando el calor generado es tener una célula que permita que los fotones de menor energía exciten pares de electrones y huecos. Esto requiere una pequeña banda prohibida. Usando un contacto selectivo, los electrones y huecos de menor energía se pueden recoger mientras se permite que los de mayor energía continúen moviéndose a través de la célula. Los contactos selectivos se hacen usando una estructura de túnel resonante de doble barrera. Los portadores se enfrían y se dispersan con fonones. Si un material tiene una gran banda prohibida de fonones, los portadores transportarán más calor al contacto y no se perderá en la estructura reticular. Un material que tiene una gran banda prohibida de fonones es el nitruro de indio. Las celdas portadoras calientes están en sus inicios, pero están comenzando a avanzar hacia la etapa experimental.

Células solares plasmónico-eléctricas

Con características únicas de resonancias ajustables y una mejora del campo cercano sin precedentes, el plasmón es una técnica que permite la gestión de la luz. Recientemente, el rendimiento de las células solares de película delgada se ha mejorado notablemente mediante la introducción de nanoestructuras metálicas. Las mejoras se atribuyen principalmente a los efectos plasmónico-ópticos para manipular la propagación, absorción y dispersión de la luz. Los efectos plasmónico-ópticos podrían: (1) aumentar la absorción óptica de materiales activos; (2) redistribuir espacialmente la absorción de luz en la capa activa debido a la mejora localizada del campo cercano alrededor de las nanoestructuras metálicas. A excepción de los efectos plasmónico-ópticos, los efectos de la recombinación modificada plasmónicamente , el transporte y la recolección de fotoportadores (electrones y huecos), en adelante denominados efectos plasmónico-eléctricos, han sido propuestos por Sha, et al. ^{[40] [41]} Para aumentar el rendimiento del dispositivo, concibieron una regla de diseño general, adaptada a una relación arbitraria de movilidad de electrones a huecos, para decidir las rutas de transporte de los fotoportadores. ^[41] La regla de diseño sugiere que la relación de longitud de transporte de electrones a huecos debe equilibrarse con la relación de movilidad de electrones a huecos. En otras palabras, el tiempo de transporte de electrones y huecos (desde los sitios de generación inicial hasta los electrodos correspondientes) debe ser el mismo. La regla de diseño general se puede realizar redistribuyendo espacialmente la absorción de luz en la capa activa de los dispositivos (con el efecto plasmónico-eléctrico). También demostraron la ruptura del límite de carga espacial en la célula solar orgánica plasmónica-eléctrica. ^[40] Recientemente, se ha descubierto que los modos asimétricos plasmónicos de las nanopartículas favorecen la absorción óptica de banda ancha y promueven las propiedades eléctricas de las células solares. Los efectos plasmónico-ópticos y plasmónico-eléctricos simultáneos de las nanopartículas revelan una característica prometedora del plasmón de las nanopartículas. ^{[13] [42]}

Células solares de obleas plasmónicas ultradelgadas

La reducción del espesor de las obleas de silicio con una pérdida de eficiencia mínima representa una tendencia general en el aumento de la rentabilidad de las células solares basadas en obleas. Recientemente, Zhang et al. han demostrado que, utilizando la estrategia avanzada de atrapamiento de luz con una arquitectura de nanopartículas diseñada adecuadamente, el espesor de la oblea se puede reducir drásticamente a solo alrededor de 1/10 del espesor actual (180 μm) sin ninguna pérdida de eficiencia de la célula solar al 18,2%. Las células solares ultradelgadas integradas con nanopartículas con solo un 3% del espesor actual de la oblea pueden alcanzar potencialmente una eficiencia del 15,3% combinando la mejora de la absorción con el beneficio del aumento de voltaje de circuito abierto inducido por una oblea más delgada. Esto representa un ahorro de material del 97% con solo un 15% de pérdida de eficiencia relativa. Estos resultados demuestran la viabilidad y la perspectiva de lograr células de obleas de silicio ultradelgadas de alta eficiencia con atrapamiento de luz plasmónica. ^[43]

Células solares plasmónicas directas

El desarrollo de células solares plasmónicas directas que utilizan nanopartículas plasmónicas directamente como absorbentes de luz es mucho más reciente que el de las células mejoradas plasmónicamente.

En 2013 se confirmó que los portadores calientes en nanopartículas plasmónicas pueden generarse mediante la excitación de la resonancia plasmónica superficial localizada. ^[44] Se demostró que los electrones calientes se inyectan en una banda de conducción de TiO ₂ , lo que confirma su utilidad para la conversión de luz en electricidad. En 2019 se publicó otro artículo que describe cómo la contraparte de los electrones calientes, los agujeros calientes, también pueden inyectarse en un semiconductor de tipo p. ^[45] Esta separación de cargas permite el uso directo de nanopartículas plasmónicas como absorbentes de luz en células fotovoltaicas.

Una empresa derivada de la Universidad de Uppsala, Peafowl Solar Power, está desarrollando tecnología de células solares plasmónicas directas para aplicaciones comerciales, como células solares transparentes para vidrio dinámico. ^{[46] [47]}

Referencias

• Portal de energías renovables
• Portal de energía

1. Zhang (8 de octubre de 2016). "Mejora plasmónica de células solares fotovoltaicas de silicio amorfo con matrices de plata hexagonales fabricadas con litografía de nanoesferas" (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 (1 de enero de 2013). Tiwari, Atul; Boukherroub, Rabah; Sharon, heshwar (eds.). Avances en el atrapamiento de luz plasmónica en dispositivos solares fotovoltaicos de película delgada . John Wiley & Sons, Inc., págs. 241–269. doi :10.1002/9781118845721.ch10. ISBN . 9781118845721.
3. Yu, Peng; Zhang, Fanlu; Li, Ziyuan; Zhong, Zhiqin; Govorov, Alexander; Fu, Lan; Tan, Hoe; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming (2018-06-29). "Mejora gigante de la longitud del camino óptico en células solares de película delgada plasmónicas utilizando nanopartículas de núcleo-capa". Journal of Physics D: Applied Physics . 51 (29): 295106. Bibcode :2018JPhD...51C5106Y. doi :10.1088/1361-6463/aacb9d. ISSN  0022-3727. S2CID  125556930.
4. Tong; et al. (10 de enero de 2014). "Células solares de barrera de Schottky de silicio mejoradas con plasmonía". Materiales de energía solar y células solares . 120 : 591–595. Código Bibliográfico :2014SEMSC.120..591T. doi :10.1016/j.solmat.2013.10.001.
5. Atwater, Harry A.; Polman, Albert (marzo de 2010). "Plasmónica para dispositivos fotovoltaicos mejorados". Nature Materials . 9 (3): 205–213. Bibcode :2010NatMa...9..205A. doi :10.1038/nmat2629. PMID  20168344.
6. Vicente, Antonio T.; Araújo, Andreia; Mendes, Manuel J.; Nunes, Daniela; Oliveira, María J.; Sánchez-Sobrado, Olalla; Ferreira, Marta P.; Aguas, Hugo; Fortunato, Elvira; Martíns, Rodrigo (29 de marzo de 2018). "Papel de celulosa multifuncional para aplicaciones de detección inteligente y captación de luz". Revista de Química de Materiales C. 6 (13): 3143–3181. doi :10.1039/C7TC05271E. ISSN  2050-7534.
7. Müller, Joachim; Rech, Bernd; Springer, Jiri; Vanecek, Milan (1 de diciembre de 2004). "TCO y atrapamiento de luz en células solares de película delgada de silicio". Energía solar . Fotovoltaica de película delgada. 77 (6): 917–930. Código Bibliográfico :2004SoEn...77..917M. doi :10.1016/j.solener.2004.03.015.
8. Catchpole, KR; Polman, A. (2008). "Células solares plasmónicas" (PDF) . Optics Express . 16 (26): 21793–21800. Bibcode :2008OExpr..1621793C. doi :10.1364/OE.16.021793. PMID  19104612.
9. Ribeyron (9 de mayo de 2017). "Células solares de silicio cristalino: mejores que nunca" (PDF) . Materials Research Express . 3 (10): 105034. Bibcode :2016MRE.....3j5034Z. doi :10.1088/2053-1591/3/10/105034. S2CID  137869504.
10. Müller, Joachim; Rech, Bernd; Springer, Jiri; Vanecek, Milan (2004). "TCO y atrapamiento de luz en células solares de película fina de silicio". Energía solar . 77 (6): 917–930. Bibcode :2004SoEn...77..917M. doi :10.1016/j.solener.2004.03.015.
11. Gavin Conibeer, Fotovoltaica de tercera generación, Proc. SPIE Vol. 7411, 74110D (20 de agosto de 2009)
12. Tanabe, K. (2009). "Una revisión de células solares de compuestos semiconductores de ultraalta eficiencia III-V: tándem multijuntura, menor dimensión, conversión fotónica ascendente/descendente y estructuras nanometálicas plasmónicas". Energies . 2 (3): 504–530. doi : 10.3390/en20300504 .
13. Ren, Xingang et al. (2016). "Células solares orgánicas de alta eficiencia logradas mediante los efectos plasmónico-ópticos y plasmónicos-eléctricos simultáneos de los modos plasmónicos asimétricos de las nanoestrellas de oro". Small . 12 (37): 5200–5207. doi :10.1002/smll.201601949. PMID  27487460.
14. Yu, Peng; Yao, Yisen; Wu, Jiang; Niu, Xiaobin; Rogach, Andrey L.; Wang, Zhiming (9 de agosto de 2017). "Efectos de las nanopartículas de núcleo metálico plasmónico y capa dieléctrica en la mejora de la absorción de luz de banda ancha en células solares de película delgada". Scientific Reports . 7 (1): 7696. Bibcode :2017NatSR...7.7696Y. doi :10.1038/s41598-017-08077-9. ISSN  2045-2322. PMC 5550503 . PMID  28794487. 
15. Mendes, Manuel J.; Morawiec, Seweryn; Simone, Francesca; Priolo, Francesco; Crupi, Isodiana (10 de abril de 2014). "Reflectores posteriores plasmónicos coloidales para atrapar luz en células solares". Nanoscale . 6 (9): 4796–4805. Bibcode :2014Nanos...6.4796M. doi : 10.1039/C3NR06768H . ISSN  2040-3372. PMID  24664403. S2CID  16782262.
16. Morawiec, Seweryn; Mendes, Manuel J.; Filonovich, Sergej A.; Mateus, Tiago; Mirabella, Salvatore; Águas, Hugo; Ferreira, Isabel; Simone, Francesca; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo; Priolo, Francesco; Crupi, Isodiana (30 de junio de 2014). "Mejora de la fotocorriente de banda ancha en células solares a-Si:H con reflectores traseros plasmónicos". Optics Express . 22 (104): A1059–A1070. Bibcode :2014OExpr..22A1059M. doi :10.1364/OE.22.0A1059. hdl : 10362/35672 . ISSN  1094-4087. PMID  24978069.
17. Mendes, Manuel J.; Morawiec, Seweryn; Mateus, Tiago; Lyubchyk, Andriy; Águas, Hugo; Ferreira, Isabel; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo; Priolo, Francesco; Crupi, Isodiana (2015-03-27). "Atrapamiento de luz de banda ancha en células solares de película delgada con nanocoloides plasmónicos autoorganizados". Nanotecnología . 26 (13): 135202. Bibcode :2015Nanot..26m5202M. doi :10.1088/0957-4484/26/13/135202. ISSN  0957-4484. PMID  25760231. S2CID  24473789.
18. Ferry, Vivian E.; Sweatlock, Luke A.; Pacifici, Domenico; Atwater, Harry A. (2008). "Diseño de nanoestructura plasmónica para acoplamiento eficiente de luz en células solares". 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 de febrero de 2010). "Plasmónica para dispositivos fotovoltaicos mejorados". Nature Materials . 9 (3): 205–13. Bibcode :2010NatMa...9..205A. doi :10.1038/nmat2629. PMID  20168344.
20. Mendes, Manuel J; Hernández, Estela; López, Esther; García-Linares, Pablo; Ramiro, Íñigo; Artacho, Irene; Antolín, Elisa; Tobias, Ignacio; Martí, Antonio; Luque, Antonio (30 de agosto de 2013). "Puntos cuánticos coloidales autoorganizados y nanopartículas metálicas para células solares de banda intermedia mejoradas con plasmón". Nanotecnología . 24 (34): 345402. Código bibliográfico : 2013 Nanot..24H5402M. doi :10.1088/0957-4484/24/34/345402. ISSN  0957-4484. PMID  23912379. S2CID  20463892.
21. Mendes, Manuel J.; Luque, Antonío; Tobías, Ignacio; Martí, Antonio (17 de agosto de 2009). "Mejora de la luz plasmónica en el campo cercano de nanoesferoides metálicos para su aplicación en células solares de banda intermedia". Applied Physics Letters . 95 (7): 071105. Bibcode :2009ApPhL..95g1105M. doi :10.1063/1.3205470. ISSN  0003-6951.
22. Haug, F.-J.; SöDerström, T.; Cubero, O.; Terrazzoni-Daudrix, V.; Ballif, C. (2008). "Absorción plasmónica en reflectores de plata texturizada de células solares de película delgada". Journal of Applied Physics . 104 (6): 064509–064509–7. Código Bibliográfico :2008JAP...104f4509H. doi :10.1063/1.2981194.
23. "Oficina de Tecnologías de Energía Solar". energy.gov .
24. "Datos y estadísticas sobre la pobreza: problemas globales".
25. http://www.soton.ac.uk/~solar/intro/appso.htm
26. http://blog.coolerplanet.com/2009/01/23/the-4-basic-types-of-solar-cell-applications/
27. Yinan, Zhang; et al. (2012). "Nanopartículas de aluminio de bajo costo y alto rendimiento para atrapar luz de banda ancha en celdas solares de obleas de silicio". Applied Physics Letters . 100 (12): 151101. Bibcode :2012ApPhL.100b1101N. doi :10.1063/1.3675451. S2CID  15114028.
28. Yinan, Zhang; et al. (2013). "Células solares de silicio policristalino mejoradas mediante captura de luz a partir de un revestimiento antirreflejo mejorado con nanopartículas de aluminio". Optical Materials Express . 3 (4): 489. Bibcode :2013OMExp...3..489Z. doi :10.1364/OME.3.000489. hdl : 1959.3/314433 .
29. Nakayama, Keisuke; Tanabe, Katsuaki; Atwater, Harry A. (22 de septiembre de 2008). "Absorción de luz mejorada con nanopartículas plasmónicas en células solares de GaAs" (PDF) . Applied Physics Letters . 93 (12): 121904. Bibcode :2008ApPhL..93l1904N. doi :10.1063/1.2988288. ISSN  0003-6951.
30. Wu, Jiang; Yu, Peng; Susha, Andrei S.; Sablon, Kimberly A.; Chen, Haiyuan; Zhou, Zhihua; Li, Handong; Ji, Haining; Niu, Xiaobin (1 de abril de 2015). "Mejora de la eficiencia de banda ancha en células solares de puntos cuánticos acopladas con nanoestrellas plasmónicas de múltiples picos". 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 (4 de febrero de 2008). "Acoplamiento electromagnético de luz en una célula solar de silicio mediante plasmones de nanodisco". Applied Physics Letters . 92 (5): 053110. Bibcode :2008ApPhL..92e3110H. doi :10.1063/1.2840676. ISSN  0003-6951.
32. Lindquist, Nathan C.; Luhman, Wade A.; Oh, Sang-Hyun; Holmes, Russell J. (22 de septiembre de 2008). "Matrices de nanocavidades plasmónicas para una mayor eficiencia en células fotovoltaicas orgánicas". 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 (6 de junio de 2011). "Mejora de células solares con plasmones localizados en nanohuecos". Optics Express . 19 (12): 11256–11263. Bibcode :2011OExpr..1911256L. doi : 10.1364/OE.19.011256 . ISSN  1094-4087. PMID  21716355.
34. Chen, Xi; Jia, Baohua ; Saha, Jhantu K.; Cai, Boyuan; Stokes, Nicholas; Qiao, Qi; Wang, Yongqian; Shi, Zhengrong; Gu, Min (9 de mayo de 2012). "Mejora de banda ancha en células solares de silicio amorfo de película delgada posibilitada por nanopartículas de plata nucleadas". 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. (14 de enero de 2009). "Nanojaulas de oro de infrarrojo cercano como una nueva clase de trazadores para el mapeo fotoacústico del ganglio linfático centinela en un modelo de rata". 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. (15 de marzo de 2019). "Nanoestructuras plasmónicas para atrapar luz en células solares de película delgada". Ciencia de materiales en procesamiento de semiconductores . Procesamiento de materiales de dispositivos ópticos y sus aplicaciones. 92 : 10–18. doi :10.1016/j.mssp.2018.04.035. hdl : 10362/98685 . ISSN  1369-8001. S2CID  102694821.
37. "Red fotónica".
38. Pala, Ragip A.; White, Justin; Barnard, Edward; Liu, John; Brongersma, Mark L. (2009). "Diseño de células solares plasmónicas de película delgada con mejoras de absorción de banda ancha". Materiales avanzados . 21 (34): 3504–3509. Código Bibliográfico :2009AdM....21.3504P. doi :10.1002/adma.200900331. S2CID  137622291.
39. Yue, Zengji; Cai, Boyuan; Wang, Lan; Wang, Xiaolin; Gu, Min (1 de marzo de 2016). "Nanoestructuras dieléctricas plasmónicas intrínsecamente núcleo-capa con índice de refracción ultraalto". Science Advances . 2 (3): e1501536. Bibcode :2016SciA....2E1536Y. doi :10.1126/sciadv.1501536. ISSN  2375-2548. PMC 4820380 . PMID  27051869. 
40. Sha, Wei EI; Li, Xuanhua; Choy, Wallace CH (2014). "Rompiendo el límite de carga espacial en células solares orgánicas mediante un nuevo concepto plasmónico-eléctrico". Scientific Reports . 4 (1): 6236. Bibcode :2014NatSR...4E6236S. doi :10.1038/srep06236. PMC 4148652 . PMID  25168122. 
41. Sha, Wei EI; Zhu, Hugh L.; Chen, Luzhou; Chew, Weng Cho; Choy, Wallace CH (2015). "Una regla de diseño general para manipular la trayectoria de transporte de fotoportadores en células solares y su realización mediante el efecto plasmónico-eléctrico". Scientific Reports . 5 (1): 8525. Bibcode :2015NatSR...5E8525S. doi :10.1038/srep08525. PMC 4330524 . PMID  25686578. 
42. Choy, WCH; Ren, X. (1 de enero de 2016). "Efectos eléctricos plasmónicos en células solares orgánicas mediante la incorporación de nanoestructuras metálicas". 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. Yinan, Zhang; et al. (2014). "Hacia células solares de obleas de silicio plasmónicas ultradelgadas con pérdida de eficiencia minimizada". Scientific Reports . 4 (1): 4939. Bibcode :2014NatSR...4E4939Z. 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 de noviembre de 2013). "Observación directa de la separación de cargas en plasmones superficiales localizados de Au". Energy & Environmental Science . 6 (12): 3584–3588. doi :10.1039/C3EE42731E. ISSN  1754-5706.
45. Hattori, Yocefu; Abdellah, Mohamed; Meng, Jie; Zheng, Kaibo; Sá, Jacinto (22 de mayo de 2019). "Inyección simultánea de electrones calientes y huecos tras la excitación de un plasmón superficial de oro". The Journal of Physical Chemistry Letters . 10 (11): 3140–3146. doi : 10.1021/acs.jpclett.9b01085 . ISSN  1948-7185. PMID  31117685.
46. Nohrstedt, Linda. "Smarta fönster conduce av egen el". Ny Teknik (en sueco) . Consultado el 4 de junio de 2019 .
47. "Fula solceller kan bli minne blott - svensk startup ska ta fram en" osynlig "solcell". Breakit (en sueco) . Consultado el 4 de junio de 2019 .