Une cellule solaire à plasma amélioré est un type de cellule solaire (comprenant du silicium en couches minces, du silicium cristallin, du silicium amorphe et d’autres types de cellules) qui convertit la lumière en électricité à l’aide de plasmons. L’épaisseur varie de celle du silicium PV traditionnel à moins de 2 µm d’épaisseur et pourrait théoriquement atteindre 100 nm. Ils peuvent utiliser des substrats moins chers que le silicium, tels que le verre, le plastique ou l’acier. L’un des défis des cellules solaires à couche mince est qu’elles n’absorbent pas autant de lumière que les cellules solaires plus épaisses fabriquées avec des matériaux ayant le même coefficient d’absorption. Les méthodes de piégeage de la lumière sont importantes pour les cellules solaires à couche mince. Les cellules renforcées par des plasmons améliorent l’absorption en diffusant la lumière à l’aide de nanoparticules métalliques excitées à leur résonance de plasmons de surface. La lumière entrante à la fréquence de résonance plasmonique induit des oscillations électroniques à la surface des nanoparticules. Les électrons d’oscillation peuvent ensuite être capturés par une couche conductrice produisant un courant électrique. La tension produite dépend de la bande interdite de la couche conductrice et du potentiel de l’électrolyte en contact avec les nanoparticules. Des recherches considérables sont encore nécessaires pour que la technologie atteigne son plein potentiel et pour commercialiser des cellules solaires à plasma renforcé.

Histoire

Dispositifs
Il existe actuellement trois générations différentes de cellules solaires. La première génération (celles du marché actuel) est fabriquée avec des plaquettes de semi-conducteurs cristallines, avec du silicium cristallin représentant «jusqu’à 93% de parts de marché et environ 75 GW installées en 2016». Les cellules solaires actuelles piègent la lumière en créant des pyramides à la surface qui ont des dimensions plus grandes que la plupart des cellules solaires à couche mince. On a exploré la surface du substrat (généralement en faisant croître du SnO2 ou du ZnO en surface) avec des dimensions de l’ordre des longueurs d’onde entrantes et en déposant le SC sur le dessus. Cette méthode augmente le photocourant, mais les cellules solaires à couche mince auraient alors une qualité de matériau médiocre.

Les cellules solaires de deuxième génération reposent sur des technologies de couches minces telles que celles présentées ici. Ces cellules solaires se concentrent sur la réduction de la quantité de matière utilisée ainsi que sur l’augmentation de la production d’énergie. Des cellules solaires de troisième génération sont actuellement à l’étude. Ils se concentrent sur la réduction du coût des cellules solaires de deuxième génération. Les SC de troisième génération sont discutés plus en détail dans les récents développements.

Conception
La conception des cellules solaires à plasma amélioré varie selon la méthode utilisée pour piéger et diffuser la lumière sur la surface et à travers le matériau.

Cellules de nanoparticules
Une conception commune consiste à déposer des nanoparticules métalliques sur la surface supérieure de la surface de la cellule solaire. Lorsque la lumière frappe ces nanoparticules métalliques à leur résonance plasmonique de surface, la lumière est dispersée dans de nombreuses directions. Cela permet à la lumière de voyager le long de la cellule solaire et de rebondir entre le substrat et les nanoparticules, ce qui permet à la cellule solaire d’absorber plus de lumière.L’intensité de champ proche concentrée induite par le plasmon de surface localisé des nanoparticules métalliques favorisera l’absorption optique des semi-conducteurs. Récemment, les modes asymétriques plasmoniques des nanoparticules se sont avérés favoriser l’absorption optique à large bande et promouvoir les propriétés électriques des cellules solaires. Les effets simultanés plasmono-optiques et plasmon-électriques des nanoparticules révèlent une caractéristique prometteuse du plasmon nanoparticulaire.

Récemment, la nanoparticule de cœur (métal) -shell (diélectrique) a démontré une diffusion arrière nulle avec diffusion améliorée sur substrat Si lorsque le plasmon de surface est situé devant une cellule solaire. Les nanoparticules cœur-enveloppe peuvent supporter simultanément des résonances électriques et magnétiques, démontrant des propriétés entièrement nouvelles par rapport aux nanoparticules métalliques nues si les résonances sont bien conçues.

Cellules de film métallique
D’autres méthodes utilisant des plasmons de surface pour récolter l’énergie solaire sont disponibles.Un autre type de structure consiste à déposer un film mince de silicium et une fine couche de métal sur la surface inférieure. La lumière traversera le silicium et générera des plasmons de surface sur l’interface du silicium et du métal. Cela génère des champs électriques à l’intérieur du silicium, car les champs électriques ne se déplacent pas très loin dans les métaux. Si le champ électrique est suffisamment fort, les électrons peuvent être déplacés et collectés pour produire un photocourant. Le mince film de métal dans cette conception doit avoir des rainures de taille nanométrique qui agissent comme guides d’onde pour la lumière entrante afin d’exciter autant de photons que possible dans le film mince de silicium.

Des principes

Général
Lorsqu’un photon est excité dans le substrat d’une cellule solaire, un électron et un trou sont séparés. Une fois les électrons et les trous séparés, ils voudront se recombiner car ils sont de charge opposée. Si les électrons peuvent être collectés avant que cela ne se produise, ils peuvent être utilisés comme courant pour un circuit externe. Concevoir l’épaisseur d’une cellule solaire est toujours un compromis entre minimiser cette recombinaison (couches plus minces) et absorber plus de photons (couche plus épaisse).

Nano-particules

Dispersion et absorption
Les principes de base du fonctionnement des cellules solaires à plasma renforcé incluent la diffusion et l’absorption de la lumière dues au dépôt de nanoparticules de métal. Le silicium n’absorbe pas très bien la lumière. Pour cette raison, plus de lumière doit être dispersée sur la surface afin d’augmenter l’absorption. Il a été trouvé que les nanoparticules métalliques aident à diffuser la lumière entrante à travers la surface du substrat de silicium. Les équations qui régissent la diffusion et l’absorption de la lumière peuvent être présentées comme suit:

Cela montre la diffusion de la lumière pour les particules qui ont des diamètres inférieurs à la longueur d’onde de la lumière.

Cela montre l’absorption pour un modèle de dipôle ponctuel.

C’est la polarisabilité de la particule. V est le volume de particules.  est la fonction diélectrique de la particule.  est la fonction diélectrique du milieu d’inclusion. Quand  la polarisabilité de la particule devient grande. Cette valeur de polarisabilité est appelée résonance plasmonique de surface. La fonction diélectrique pour les métaux à faible absorption peut être définie comme suit:

Dans l’équation précédente, {\ displaystyle \ omega _ {p}} \ omega _ {p} est la fréquence du plasma en vrac. Ceci est défini comme:

N est la densité des électrons libres, e est la charge électronique et m la masse effective d’un électron.  est la constante diélectrique de l’espace libre. L’équation de la résonance de plasmons de surface dans l’espace libre peut donc être représentée par:

A titre d’exemple, à la résonance plasmonique de surface pour une nanoparticule d’argent, la section efficace de diffusion est d’environ 10 fois la section transversale de la nanoparticule. Le but des nanoparticules est de piéger la lumière à la surface du SC. L’absorption de la lumière n’est pas importante pour la nanoparticule, mais elle est importante pour le SC. On pourrait penser que si la taille de la nanoparticule augmente, la section de diffusion devient plus grande. Cela est vrai, cependant, comparé à la taille de la nanoparticule, le rapport (  ) est réduite. Les particules ayant une grande section de diffusion ont tendance à avoir une gamme de résonance plasmonique plus large.

Dépendance à la longueur d’onde
La résonance de plasmons de surface dépend principalement de la densité des électrons libres dans la particule. L’ordre des densités d’électrons pour différents métaux est indiqué ci-dessous avec le type de lumière qui correspond à la résonance.

Aluminium – Ultra-violet
Argent – Ultra-violet
Or – Visible
Cuivre – Visible
Si la constante diélectrique du milieu d’inclusion est modifiée, la fréquence de résonance peut être modifiée. Des indices de réfraction plus élevés conduiront à une fréquence de longueur d’onde plus longue.

Piégeage de la lumière
Les nanoparticules métalliques sont déposées à distance du substrat afin de piéger la lumière entre le substrat et les particules. Les particules sont incorporées dans un matériau au-dessus du substrat.Le matériau est typiquement un diélectrique, tel que du silicium ou du nitrure de silicium. Lors de l’expérience et des simulations sur la quantité de lumière diffusée dans le substrat en raison de la distance entre la particule et le substrat, l’air est utilisé comme matériau d’inclusion comme référence. Il a été trouvé que la quantité de lumière émise dans le substrat diminue avec la distance du substrat. Cela signifie que des nanoparticules à la surface sont souhaitables pour rayonner de la lumière dans le substrat, mais s’il n’y a pas de distance entre la particule et le substrat, la lumière n’est pas piégée et davantage de lumière s’échappe.

Les plasmons de surface sont les excitations des électrons de conduction à l’interface du métal et du diélectrique. Des nanoparticules métalliques peuvent être utilisées pour coupler et piéger des ondes planes se propageant librement dans la couche mince de semi-conducteur. La lumière peut être pliée dans la couche absorbante pour augmenter l’absorption. Les plasmons de surface localisés dans les nanoparticules de métal et les polaritons de plasmon de surface à l’interface du métal et du semi-conducteur présentent un intérêt dans la recherche actuelle. Dans des articles récemment publiés, la forme et la taille des nanoparticules de métal sont des facteurs clés pour déterminer l’efficacité d’enchaînement. Les particules plus petites ont une plus grande efficacité de couplage grâce au couplage amélioré en champ proche. Cependant, les très petites particules souffrent de pertes ohmiques importantes.

Récemment, les modes asymétriques plasmoniques des nanoparticules se sont avérés favoriser l’absorption optique à large bande et promouvoir les propriétés électriques des cellules solaires. Les effets simultanés plasmono-optiques et plasmon-électriques des nanoparticules révèlent une caractéristique prometteuse du plasmon nanoparticulaire.

Film métallique
Comme la lumière est incidente à la surface du film métallique, elle excite les plasmons de surface.La fréquence de plasmon de surface est spécifique au matériau, mais grâce à l’utilisation de réseaux à la surface du film, différentes fréquences peuvent être obtenues. Les plasmons de surface sont également préservés grâce à l’utilisation de guides d’ondes car ils facilitent le déplacement des plasmons de surface sur la surface et minimisent les pertes dues à la résistance et au rayonnement.Le champ électrique généré par les plasmons de surface influence les électrons pour se déplacer vers le substrat de collecte.

Matériaux

Applications
Les applications des cellules solaires à plasma amélioré sont infinies. Le besoin de cellules solaires moins chères et plus efficaces est énorme. Pour que les cellules solaires soient considérées comme rentables, elles doivent fournir de l’énergie à un prix inférieur à celui des sources d’énergie traditionnelles telles que le charbon et l’essence. Le mouvement vers un monde plus vert a contribué à déclencher des recherches dans le domaine des cellules solaires à plasma renforcé. Actuellement, les cellules solaires ne peuvent pas dépasser les rendements d’environ 30% (première génération).Avec les nouvelles technologies (troisième génération), on peut s’attendre à des rendements allant jusqu’à 40 à 60%. Avec une réduction des matériaux grâce à la technologie des couches minces (deuxième génération), les prix peuvent être réduits.

Certaines applications des cellules solaires à plasma renforcé seraient destinées aux véhicules d’exploration spatiale. Une contribution majeure à cela serait le poids réduit des cellules solaires.Une source de carburant externe ne serait pas non plus nécessaire si suffisamment d’énergie pouvait être générée par les cellules solaires. Cela aiderait considérablement à réduire le poids aussi.

Les cellules solaires ont un grand potentiel pour aider l’électrification rurale. On estime que deux millions de villages à proximité de l’équateur ont un accès limité à l’électricité et aux combustibles fossiles et qu’environ 25% de la population mondiale n’a pas accès à l’électricité. Lorsque l’on compare le coût de l’extension des réseaux électriques, de l’exploitation de l’électricité rurale et de l’utilisation de générateurs diesel au coût des cellules solaires, il arrive souvent que les cellules solaires gagnent. Si l’efficacité et le coût de la technologie actuelle des cellules solaires sont encore réduits, de nombreuses communautés rurales et villages du monde entier pourraient obtenir de l’électricité lorsque les méthodes actuelles sont hors de question. Les applications spécifiques pour les communautés rurales seraient les systèmes de pompage d’eau, l’alimentation électrique résidentielle et les lampadaires. Une application particulièrement intéressante serait pour les systèmes de santé dans les pays où les véhicules motorisés ne sont pas trop abondants. Les cellules solaires pourraient servir à réfrigérer les médicaments dans les glacières pendant le transport.

Les cellules solaires pourraient également alimenter les phares, les bouées ou même les cuirassés dans l’océan. Les entreprises industrielles pourraient les utiliser pour alimenter des systèmes de télécommunication ou des systèmes de surveillance et de contrôle le long de pipelines ou d’autres systèmes.

Si les cellules solaires pouvaient être produites à grande échelle et rentables, des centrales entières pourraient être construites pour alimenter les réseaux électriques. Avec une réduction de la taille, ils pourraient être mis en œuvre sur les bâtiments commerciaux et résidentiels avec une empreinte beaucoup plus réduite. Ils peuvent même ne pas sembler une horreur.

D’autres domaines sont dans les systèmes hybrides. Les cellules solaires pourraient aider à alimenter des appareils à forte consommation, tels que les automobiles, afin de réduire la quantité de combustibles fossiles utilisée et contribuer à améliorer les conditions environnementales de la terre.

Dans les appareils électroniques grand public, les cellules solaires pourraient être utilisées pour remplacer les piles des produits électroniques de faible puissance. Cela permettrait à tout le monde d’économiser beaucoup d’argent et contribuerait également à réduire la quantité de déchets envoyés aux sites d’enfouissement.

Avancées récentes
Choix de nanoparticules de métal plasmonique
Un choix judicieux des nanoparticules de métal plasmatiques est crucial pour une absorption maximale de la lumière dans la couche active. Les nanoparticules situées en surface avant Ag et Au sont les matériaux les plus utilisés en raison de leurs résonances de plasmon de surface situées dans le visible et interagissent donc plus fortement avec l’intensité solaire maximale. Cependant, de telles nanoparticules de métal noble introduisent toujours un couplage de lumière réduit dans Si aux courtes longueurs d’onde inférieures à la résonance de plasmons de surface en raison de l’effet nuisible de Fano, à savoir l’interférence destructive entre la lumière diffusée et non diffusée. De plus, les nanoparticules de métaux nobles ne sont pas pratiques pour la fabrication de cellules solaires à grande échelle en raison de leur coût élevé et de la rareté de la croûte terrestre. Récemment, Zhang et al. ont démontré le faible coût et les matériaux en abondance de terre que les nanoparticules Al sont en mesure de surpasser les nanoparticules Ag et Au largement utilisées. Les nanoparticules d’Al, avec leurs résonances de plasmon de surface situées dans la région UV au-dessous du bord du spectre solaire souhaité à 300 nm, peuvent éviter la réduction et introduire une amélioration supplémentaire dans la gamme de longueurs d’onde plus courte.

Choix de forme des nanoparticules
Nanosphère
Nanostar
Nanoparticule cœur-coquille
Nanodisk
La nanocavité
Nanovoïde
Nanoparticule nucléée
Nanocage
Piégeage de la lumière

Comme nous l’avons vu plus haut, le fait de pouvoir concentrer et disperser la lumière sur la surface de la cellule solaire à plasma renforcé contribuera à accroître l’efficacité. Récemment, des recherches menées par Sandia National Laboratories ont permis de découvrir un guide d’onde photonique qui collecte la lumière à une certaine longueur d’onde et la capte dans la structure. Cette nouvelle structure peut contenir 95% de la lumière qui y pénètre, contre 30% pour les autres guides d’ondes traditionnels. Il peut également diriger la lumière dans une longueur d’onde dix fois supérieure à celle des guides d’ondes traditionnels. La longueur d’onde que cet appareil capture peut être sélectionnée en modifiant la structure du réseau qui comprend la structure. Si cette structure est utilisée pour piéger la lumière et la maintenir dans la structure jusqu’à ce que la cellule solaire puisse l’absorber, l’efficacité de la cellule solaire pourrait être considérablement accrue.

Absorption
Une autre avancée récente dans le domaine des cellules solaires plasmoniques consiste à utiliser d’autres méthodes pour faciliter l’absorption de la lumière. L’une des méthodes étudiées consiste à utiliser des fils métalliques sur le substrat pour disperser la lumière. Cela aiderait en utilisant une plus grande zone de la surface de la cellule solaire pour la diffusion et l’absorption de la lumière.L’utilisation de lignes au lieu de points risquerait de créer une couche réfléchissante qui rejetterait la lumière du système. Ceci est très indésirable pour les cellules solaires. Cela serait très similaire à l’approche du film de métal fin, mais il utilise également l’effet de diffusion des nanoparticules. Yue et al. utilisé un type de nouveaux matériaux, appelés isolants topologiques, pour augmenter l’absorption des cellules solaires ultraminces a-Si. La nanostructure de l’isolant topologique a une configuration intrinsèque. Le noyau est diélectrique et possède un indice de réfraction ultra élevé. La coque est métallique et supporte les résonances de plasmon de surface. En intégrant les réseaux de nanocones dans des cellules solaires à couches minces a-Si, une amélioration de l’absorption de la lumière allant jusqu’à 15% a été prédite dans les gammes ultraviolettes et visibles.

Troisième génération
L’objectif des cellules solaires de troisième génération est d’accroître l’efficacité en utilisant des cellules solaires de deuxième génération (couches minces) et en utilisant des matériaux qui se trouvent en abondance sur la terre. Cela a également été un objectif des cellules solaires à couches minces. Avec l’utilisation de matériaux courants et sûrs, les cellules solaires de troisième génération devraient pouvoir être fabriquées en quantités massives, réduisant ainsi les coûts. Les coûts initiaux seraient élevés pour produire les processus de fabrication, mais après cela, ils devraient être bon marché. La manière dont les cellules solaires de troisième génération seront en mesure d’améliorer leur efficacité consiste à absorber une gamme de fréquences plus large. La technologie actuelle des couches minces a été limitée à une fréquence en raison de l’utilisation de dispositifs à bande unique.

Niveaux d’énergie multiples
L’idée de plusieurs cellules solaires à niveau d’énergie est d’empiler les cellules solaires à couche mince les unes sur les autres. Chaque cellule solaire à couche mince aurait une bande interdite différente, ce qui signifie que si une partie du spectre solaire n’était pas absorbée par la première cellule, celle située juste au-dessous pourrait absorber une partie du spectre. Celles-ci peuvent être empilées et une bande passante optimale peut être utilisée pour chaque cellule afin de produire le maximum de puissance. Des options sur la façon dont chaque cellule est connectée sont disponibles, telles que série ou parallèle. La connexion en série est souhaitée car la sortie de la cellule solaire ne serait que deux dérivations.

La structure de réseau dans chacune des cellules à couche mince doit être la même. Si ce n’est pas le cas, il y aura des pertes. Les processus utilisés pour déposer les couches sont complexes. Ils comprennent l’épitaxie par faisceaux moléculaires et l’épitaxie en phase vapeur en phase organique.L’enregistrement d’efficacité actuel est effectué avec ce processus, mais n’a pas de constantes de réseau de correspondance exactes. Les pertes dues à cela ne sont pas aussi efficaces car les différences de réseaux permettent un matériau de bande passante optimal pour les deux premières cellules. Ce type de cellule devrait être efficace à 50%.

Des matériaux de qualité inférieure utilisant des processus de dépôt moins coûteux sont également à l’étude. Ces dispositifs ne sont pas aussi efficaces, mais leur prix, leur taille et leur puissance combinés leur permettent d’être tout aussi rentables. Les processus étant plus simples et les matériaux plus facilement disponibles, la production de masse de ces appareils est plus économique.

Cellules porteuses chaudes
Un problème avec les cellules solaires est que les photons de haute énergie qui frappent la surface sont convertis en chaleur. C’est une perte pour la cellule car les photons entrants ne sont pas convertis en énergie utilisable. L’idée derrière la cellule porteuse chaude est d’utiliser une partie de cette énergie entrante qui est convertie en chaleur. Si les électrons et les trous peuvent être collectés à chaud, une tension plus élevée peut être obtenue à partir de la cellule. Le problème est que les contacts qui collectent les électrons et les trous refroidissent le matériau. Jusqu’à présent, il était théorique d’empêcher les contacts de refroidir la cellule. Une autre façon d’améliorer l’efficacité de la cellule solaire en utilisant la chaleur générée consiste à disposer d’une cellule permettant aux photons de moindre énergie d’exciter des paires d’électrons et de trous. Cela nécessite une petite bande interdite. En utilisant un contact sélectif, les électrons et les trous de moindre énergie peuvent être collectés tout en permettant aux énergies plus élevées de continuer à se déplacer dans la cellule. Les contacts sélectifs sont réalisés en utilisant une structure tunnel résonante à double barrière. Les porteurs sont refroidis qu’ils diffusent avec des phonons. Si un matériau avec une grande bande interdite de phonons alors les porteurs porteront plus de chaleur au contact et il ne sera pas perdu dans la structure de réseau. Un matériau qui a une grande bande interdite de phonons est le nitrure d’indium. Les cellules porteuses chaudes en sont à leurs balbutiements mais commencent à évoluer vers le stade expérimental.

Cellules solaires plasmoniques électriques
Disposant de caractéristiques uniques de résonances accordables et d’une amélioration sans précédent du champ proche, le plasmon est une technique permettant la gestion de la lumière.Récemment, les performances des cellules solaires à couche mince ont été nettement améliorées en introduisant des nanostructures métalliques. Les améliorations sont principalement attribuables aux effets plasmoniques-optiques pour la manipulation de la propagation, de l’absorption et de la diffusion de la lumière. Les effets plasmoniques-optiques pourraient: (1) stimuler l’absorption optique des matériaux actifs; (2) redistribuer spatialement l’absorption lumineuse au niveau de la couche active grâce à l’amélioration localisée du champ proche des nanostructures métalliques. À l’exception des effets optiques plasmoniques, les effets de la recombinaison plasmonique, du transport et de la collecte de photoporteurs (électrons et trous), appelés ci-après effets électriques plasmoniques, ont été proposés par Sha, et al. Pour améliorer les performances du dispositif, ils ont conçu une règle de conception générale, adaptée au rapport de mobilité électron-trou arbitraire, pour déterminer les chemins de transport des photoporteurs. La règle de conception suggère que le rapport de longueur de transport électron à trou doit être équilibré avec le rapport de mobilité électron à trou. En d’autres termes, le temps de transport des électrons et des trous (des sites de génération initiaux aux électrodes correspondantes) devrait être le même. La règle de conception générale peut être réalisée en redistribuant spatialement l’absorption de la lumière sur la couche active des dispositifs (avec l’effet plasmonique-électrique). Ils ont également démontré la rupture de la limite de charge d’espace dans la cellule solaire organique plasmonique-électrique. Récemment, les modes asymétriques plasmoniques des nanoparticules se sont avérés favoriser l’absorption optique à large bande et promouvoir les propriétés électriques des cellules solaires. Les effets simultanés plasmono-optiques et plasmon-électriques des nanoparticules révèlent une caractéristique prometteuse du plasmon nanoparticulaire.

Cellules solaires plasmoniques ultrafines
La réduction de l’épaisseur de la plaquette de silicium à une perte d’efficacité minimisée représente une tendance générale à accroître la rentabilité des cellules solaires à base de plaquettes.Récemment, Zhang et al. ont démontré que, en utilisant la stratégie avancée de piégeage de la lumière avec une architecture de nanoparticules bien conçue, l’épaisseur de la plaquette peut être considérablement réduite à seulement environ 1/10 de l’épaisseur actuelle (180 µm) sans perte d’efficacité des cellules solaires à 18,2%. Les cellules solaires ultrafines intégrées à des nanoparticules avec seulement 3% de l’épaisseur actuelle des plaquettes peuvent potentiellement atteindre une efficacité de 15,3% en combinant l’amélioration de l’absorption avec l’avantage d’une augmentation de la tension en circuit ouvert induite par des plaquettes plus fines. Cela représente une économie de matière de 97% avec seulement 15% de perte d’efficacité relative. Ces résultats démontrent la faisabilité et la possibilité de réaliser des cellules de plaquettes de silicium ultra-fines à haut rendement avec un piégeage de la lumière plasmonique.