الخلية الشمسية البلازمونية

تتضمن المبادئ الأساسية لعمل الخلايا الشمسية المعززة بالبلازمونيات تشتيت وامتصاص الضوء نتيجة ترسب الجسيمات النانوية المعدنية. لا يمتص السيليكون الضوء بكفاءة عالية، لذا يلزم تشتيت المزيد من الضوء على سطحه لزيادة امتصاصه. وقد وُجد أن الجسيمات النانوية المعدنية تُسهم في تشتيت الضوء الساقط على سطح ركيزة السيليكون. ويمكن تمثيل المعادلات التي تحكم تشتيت وامتصاص الضوء كما يلي:

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

يوضح هذا تشتت الضوء للجسيمات التي يقل قطرها عن الطول الموجي للضوء.

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

يوضح هذا الامتصاص لنموذج ثنائي القطب النقطي.

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

هذه هي قابلية استقطاب الجسيم. V هو حجم الجسيم.${\displaystyle \epsilon _{p}}$هي دالة العزل الكهربائي للجسيم.${\displaystyle \epsilon _{m}}$هي دالة العزل الكهربائي للوسط المحيط. عندما${\displaystyle \epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}}$تزداد استقطابية الجسيم . تُعرف قيمة الاستقطابية هذه برنين البلازمون السطحي. ويمكن تعريف دالة العزل الكهربائي للمعادن ذات الامتصاص المنخفض على النحو التالي:

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

في المعادلة السابقة،${\displaystyle \omega _{p}}$هو تردد البلازما الكلي. ويُعرَّف هذا التردد على النحو التالي:

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

N هي كثافة الإلكترونات الحرة، و e هي الشحنة الإلكترونية و m هي الكتلة الفعالة للإلكترون.${\displaystyle \epsilon _{0}}$يمثل ثابت العزل الكهربائي للفراغ. وبالتالي، يمكن تمثيل معادلة رنين البلازمون السطحي في الفراغ كما يلي:

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

تستخدم العديد من الخلايا الشمسية البلازمونية جسيمات نانوية لتعزيز تشتت الضوء. تتخذ هذه الجسيمات النانوية شكل كرات، ولذلك يُفضّل الحصول على تردد رنين البلازمون السطحي للكرات. وبحل المعادلات السابقة ، يمكن التعبير عن تردد رنين البلازمون السطحي لكرة في الفضاء الحر كما يلي:

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

على سبيل المثال، عند رنين البلازمون السطحي لجزيء نانوي من الفضة ، يكون مقطع التشتت أكبر بحوالي 10 أضعاف من مقطع الجزيء النانوي نفسه. يكمن هدف الجزيئات النانوية في حصر الضوء على سطح الموصل الفائق. لا يُعد امتصاص الضوء مهمًا للجزيء النانوي، بل هو المهم للموصل الفائق. قد يظن المرء أنه إذا زاد حجم الجزيء النانوي، فإن مقطع التشتت سيزداد. وهذا صحيح، ولكن عند مقارنته بحجم الجزيء النانوي، فإن النسبة (${\displaystyle CS_{scat}/CS_{particle}}$يتم تقليل ) . تميل الجسيمات ذات المقطع العرضي الكبير للتشتت إلى امتلاك نطاق رنين بلازموني أوسع.

يعتمد رنين البلازمون السطحي بشكل أساسي على كثافة الإلكترونات الحرة في الجسيم. يوضح الشكل أدناه ترتيب كثافة الإلكترونات لمختلف المعادن، بالإضافة إلى نوع الضوء الذي يتوافق مع الرنين.

• الألومنيوم - الأشعة فوق البنفسجية
• الفضة - الأشعة فوق البنفسجية
• الذهب - مرئي
• النحاس - مرئي

إذا تم تغيير ثابت العزل الكهربائي للوسط المحيط، يمكن تغيير تردد الرنين . فمعاملات الانكسار الأعلى تؤدي إلى طول موجة رنين أطول.

تُرسب الجسيمات النانوية المعدنية على مسافة من الركيزة لحصر الضوء بينها وبين الركيزة. تُدمج هذه الجسيمات في مادة فوق الركيزة، وعادةً ما تكون هذه المادة عازلة ، مثل السيليكون أو نتريد السيليكون . عند إجراء التجارب والمحاكاة على كمية الضوء المتشتت في الركيزة نتيجةً للمسافة بين الجسيم والركيزة، يُستخدم الهواء كمادة تغليف مرجعية. وقد وُجد أن كمية الضوء المُشع في الركيزة تتناقص مع زيادة المسافة عنها. هذا يعني أن وجود الجسيمات النانوية على السطح يُعدّ مثاليًا لإشعاع الضوء في الركيزة، ولكن في حال انعدام المسافة بين الجسيم والركيزة، فلن يُحصر الضوء، بل سيتسرب المزيد منه.

تُعدّ بلازمونات السطح إثارات إلكترونات التوصيل عند سطح التماس بين المعدن والعازل. ويمكن استخدام الجسيمات النانوية المعدنية لربط الموجات المستوية المنتشرة بحرية وحصرها في طبقة رقيقة من أشباه الموصلات. ويمكن طي الضوء داخل الطبقة الماصة لزيادة امتصاصه. وتُعدّ بلازمونات السطح الموضعية في الجسيمات النانوية المعدنية، بالإضافة إلى بولاريتونات بلازمون السطح عند سطح التماس بين المعدن وشبه الموصل، من المواضيع المهمة في الأبحاث الحالية. وفي الأبحاث المنشورة مؤخرًا، تبيّن أن شكل وحجم الجسيمات النانوية المعدنية عاملان أساسيان في تحديد كفاءة الربط. فالجسيمات الأصغر حجمًا تتمتع بكفاءة ربط أعلى نظرًا لتعزيز اقتران المجال القريب. ومع ذلك، تعاني الجسيمات الصغيرة جدًا من خسائر أومية كبيرة. ^{[ 19 ]}

مع ذلك، في أنواع معينة من الخلايا الشمسية النانوية، مثل خلايا النطاق الوسيطة الناشئة ذات النقاط الكمومية ، يمكن استغلال المجال القريب المشتت عالي الكثافة الناتج في محيط الجسيمات النانوية البلازمونية لتضخيم الامتصاص الموضعي في النقاط الكمومية المدمجة في مادة شبه موصلة مضيفة. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

أظهرت الدراسات الحديثة أن الأنماط غير المتماثلة للبلازمون في الجسيمات النانوية تُسهم في تعزيز امتصاص الضوء واسع النطاق وتحسين الخصائص الكهربائية للخلايا الشمسية. ويُشير التأثيران البلازمونيان البصري والكهربائي المتزامنان للجسيمات النانوية إلى ميزة واعدة للبلازمون في هذه الجسيمات. ^{[ 13 ]}

تعتمد فكرة الخلايا الشمسية متعددة مستويات الطاقة على تكديس خلايا شمسية رقيقة فوق بعضها. لكل خلية فجوة نطاق طاقة مختلفة، ما يعني أنه إذا لم تمتص الخلية الأولى جزءًا من الطيف الشمسي، فإن الخلية التي تليها مباشرةً ستتمكن من امتصاص جزء منه. يمكن تكديس هذه الخلايا واستخدام فجوة نطاق طاقة مثالية لكل منها لإنتاج أقصى قدر من الطاقة. تتوفر خيارات متعددة لتوصيل الخلايا، مثل التوصيل التسلسلي أو التوصيل المتوازي. يُفضل التوصيل التسلسلي لأن خرج الخلية الشمسية سيكون عبارة عن سلكين فقط.

يجب أن يكون التركيب الشبكي في كل خلية من خلايا الأغشية الرقيقة متطابقًا. وإلا، ستحدث خسائر. وتُعدّ عمليات ترسيب الطبقات معقدة، وتشمل الترسيب الجزيئي الشعاعي والترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني. وقد سُجّل الرقم القياسي الحالي للكفاءة باستخدام هذه العملية، إلا أنها لا تُطابق ثوابت الشبكة تمامًا. ومع ذلك، فإن الخسائر الناتجة عن ذلك ليست كبيرة، لأن الاختلافات في الشبكات تسمح باستخدام مادة ذات فجوة نطاق مثالية للخليتين الأوليين. ومن المتوقع أن تصل كفاءة هذا النوع من الخلايا إلى 50%.

يجري البحث أيضاً في مواد ذات جودة أقل تستخدم عمليات ترسيب أرخص. هذه الأجهزة ليست بنفس كفاءة الأجهزة الأخرى، لكن سعرها وحجمها واستهلاكها للطاقة مجتمعة تجعلها فعالة من حيث التكلفة. ونظراً لبساطة العمليات وتوفر المواد بسهولة أكبر، فإن الإنتاج الضخم لهذه الأجهزة أكثر اقتصادية.

تتمثل إحدى مشكلات الخلايا الشمسية في تحول الفوتونات عالية الطاقة التي تصطدم بسطحها إلى حرارة. يُعدّ هذا خسارةً للخلية لأن الفوتونات الواردة لا تُحوّل إلى طاقة قابلة للاستخدام. تقوم فكرة خلية الناقلات الساخنة على استغلال جزء من هذه الطاقة الواردة التي تتحول إلى حرارة. فإذا أمكن جمع الإلكترونات والفجوات وهي ساخنة، يُمكن الحصول على جهد أعلى من الخلية. تكمن المشكلة في أن نقاط التلامس التي تجمع الإلكترونات والفجوات ستُبرّد المادة. وحتى الآن، كان منع نقاط التلامس من تبريد الخلية أمرًا نظريًا. ثمة طريقة أخرى لتحسين كفاءة الخلية الشمسية باستخدام الحرارة المتولدة، وهي تصميم خلية تسمح للفوتونات منخفضة الطاقة بإثارة أزواج الإلكترونات والفجوات. يتطلب هذا فجوة طاقة صغيرة. باستخدام نقطة تلامس انتقائية، يُمكن جمع الإلكترونات والفجوات منخفضة الطاقة مع السماح للإلكترونات والفجوات عالية الطاقة بمواصلة حركتها عبر الخلية. تُصنع نقاط التلامس الانتقائية باستخدام بنية نفق رنيني مزدوجة الحاجز. تُبرّد الناقلات فتتشتت بواسطة الفونونات. إذا كانت المادة تمتلك فجوة طاقة كبيرة للفونونات، فإن حاملات الشحنة ستنقل كمية أكبر من الحرارة إلى نقطة التلامس ولن تُفقد في بنية الشبكة البلورية. ومن المواد التي تمتلك فجوة طاقة كبيرة للفونونات نتريد الإنديوم. لا تزال خلايا حاملات الشحنة الساخنة في مراحلها الأولى، لكنها بدأت تقترب من مرحلة التطبيق العملي.

بفضل خصائصها الفريدة من الرنين القابل للضبط وتعزيز المجال القريب غير المسبوق، تُعدّ البلازمونات تقنيةً فعّالةً لإدارة الضوء. وقد شهدت الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة تحسّنًا ملحوظًا مؤخرًا بفضل إدخال هياكل نانوية معدنية. ويعزى هذا التحسّن بشكل رئيسي إلى التأثيرات البلازمونية البصرية في التحكم بانتشار الضوء وامتصاصه وتشتته. وتتمثل هذه التأثيرات في: (1) تعزيز الامتصاص الضوئي للمواد الفعّالة؛ (2) إعادة توزيع امتصاص الضوء مكانيًا في الطبقة الفعّالة نتيجةً لتعزيز المجال القريب الموضعي حول الهياكل النانوية المعدنية. وإلى جانب التأثيرات البلازمونية البصرية، اقترح شا وزملاؤه تأثيرات إعادة التركيب والنقل والتجميع المعدّلة بلازمونيًا لحاملات الشحنة الضوئية (الإلكترونات والفجوات)، والتي سنُشير إليها فيما يلي بالتأثيرات البلازمونية الكهربائية. ^{[ 40 ] [ 41 ]} لتعزيز أداء الجهاز، وضعوا قاعدة تصميم عامة، مصممة خصيصًا لنسبة حركة الإلكترونات إلى الفجوات، لتحديد مسارات نقل حاملات الشحنة الضوئية. ^{[ 41 ]} تشير قاعدة التصميم إلى ضرورة موازنة نسبة طول نقل الإلكترونات إلى الفجوات مع نسبة حركتها. بعبارة أخرى، يجب أن يكون زمن نقل الإلكترونات والفجوات (من مواقع التوليد الأولية إلى الأقطاب الكهربائية المقابلة) متساويًا. يمكن تحقيق قاعدة التصميم العامة من خلال إعادة توزيع امتصاص الضوء مكانيًا في الطبقة النشطة للأجهزة (باستخدام التأثير البلازموني الكهربائي). كما أثبتوا أيضًا تجاوز حد الشحنة الفضائية في الخلية الشمسية العضوية البلازمونية الكهربائية. ^{[ 40 ]} مؤخرًا، وُجد أن الأنماط غير المتماثلة للبلازمون في الجسيمات النانوية تُحسّن امتصاص الضوء واسع النطاق وتُعزز الخصائص الكهربائية للخلايا الشمسية. يكشف التأثيران البلازموني البصري والبلازموني الكهربائي المتزامنان للجسيمات النانوية عن سمة واعدة للبلازمون في الجسيمات النانوية. ^{[ 13 ] [ 42 ]}

يمثل تقليل سُمك رقاقة السيليكون مع أدنى حد من فقدان الكفاءة اتجاهًا رئيسيًا لزيادة فعالية التكلفة للخلايا الشمسية القائمة على الرقاقات. وقد أثبت تشانغ وزملاؤه مؤخرًا أنه باستخدام استراتيجية متقدمة لحصر الضوء مع بنية جسيمات نانوية مصممة بشكل مناسب، يمكن تقليل سُمك الرقاقة بشكل كبير إلى حوالي عُشر السُمك الحالي (180  ميكرومتر) دون أي فقدان في كفاءة الخلية الشمسية عند 18.2%. ويمكن للخلايا الشمسية فائقة الرقة المدمجة مع الجسيمات النانوية، والتي لا يتجاوز سُمكها 3% من سُمك الرقاقة الحالي، أن تحقق كفاءة تصل إلى 15.3%، وذلك بفضل الجمع بين تحسين الامتصاص وفائدة زيادة جهد الدائرة المفتوحة الناتجة عن رقة الرقاقة. وهذا يمثل توفيرًا في المواد بنسبة 97% مع فقدان نسبي في الكفاءة لا يتجاوز 15%. تُظهر هذه النتائج جدوى وإمكانية تحقيق خلايا رقائق السيليكون فائقة الرقة عالية الكفاءة باستخدام حصر الضوء البلازموني. ^{[ 43 ]}