プラズモン太陽電池

プラズモン増強型太陽電池の動作原理は、金属ナノ粒子の堆積による光の散乱と吸収に基づいています。シリコンは光をあまり吸収しません。そのため、吸収率を高めるには、表面全体でより多くの光を散乱させる必要があります。金属ナノ粒子は、シリコン基板表面全体で入射光を散乱させるのに役立つことがわかっています。光の散乱と吸収を支配する方程式は、次のように表すことができます。

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

これは、光の波長よりも直径が小さい粒子による光の散乱を示している。

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

これは点双極子モデルにおける吸収率を示している。

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

これは粒子の分極率です。Vは粒子の体積です。$\displaystyle \epsilon _{p}}$これは粒子の誘電関数である。$\displaystyle \epsilon _{m}}$は埋め込み媒体の誘電関数です。$\displaystyle \epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}}$粒子の分極率が大きくなる。この分極率の値は表面プラズモン共鳴として知られている。吸収率の低い金属の誘電関数は次のように定義できる。

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

前の式では、$\displaystyle \omega _{p}}$はバルクプラズマ周波数​​です。これは次のように定義されます。

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

Nは自由電子の密度、eは電子の電荷、mは電子の有効質量である。$\displaystyle \epsilon _{0}}$は自由空間の誘電率である。したがって、自由空間における表面プラズモン共鳴の式は次のように表される。

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

多くのプラズモン太陽電池は、光の散乱を増強するためにナノ粒子を使用しています。これらのナノ粒子は球状であるため、球状の表面プラズモン共鳴周波数が望ましいです。前述の式を解くと、自由空間中の球状の表面プラズモン共鳴周波数は次のように表すことができます。

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

例えば、銀ナノ粒子の表面プラズモン共鳴では、散乱断面積はナノ粒子の断面積の約10倍です。ナノ粒子の目的は、SCの表面で光を捕捉することです。光の吸収はナノ粒子にとって重要ではなく、むしろSCにとって重要です。ナノ粒子のサイズが大きくなると、散乱断面積も大きくなると考えるかもしれません。これは正しいのですが、ナノ粒子のサイズと比較すると、比率（${\displaystyle CS_{scat}/CS_{particle}}$）は減少する。散乱断面積の大きい粒子は、プラズモン共鳴範囲が広くなる傾向がある。

表面プラズモン共鳴は、主に粒子内の自由電子密度に依存します。以下に、異なる金属における電子密度の順序と、共鳴に対応する光の種類を示します。

• アルミニウム- 紫外線
• 銀- 紫外線
• ゴールド- 目に見える
• 銅- 目に見える

埋め込み媒体の誘電率を変化させると、共振周波数を変化させることができる。屈折率が高いほど、共振波長は長くなる。

金属ナノ粒子は、基板と粒子の間に光を閉じ込めるために、基板から一定の距離を置いて堆積されます。粒子は基板上の材料に埋め込まれます。この材料は通常、シリコンや窒化シリコンなどの誘電体です。粒子と基板間の距離によって基板に散乱される光の量に関する実験やシミュレーションを行う際には、基準として空気が埋め込み材料として使用されます。基板に放射される光の量は、基板からの距離とともに減少することがわかっています。これは、表面にナノ粒子があると基板に光を放射するのに望ましいものの、粒子と基板の間に距離がない場合、光は閉じ込められず、より多くの光が漏れ出すことを意味します。

表面プラズモンは、金属と誘電体の界面における伝導電子の励起です。金属ナノ粒子は、自由に伝搬する平面波を半導体薄膜層に結合させて閉じ込めるために使用できます。光を吸収層に折り畳むことで吸収率を高めることができます。金属ナノ粒子内の局在表面プラズモンと、金属と半導体の界面における表面プラズモンポラリトンは、現在の研究で注目されています。最近報告された論文では、金属ナノ粒子の形状とサイズが結合効率を決定する重要な要素となっています。粒子が小さいほど、近接場結合が強化されるため、結合効率が高くなります。しかし、非常に小さな粒子は大きなオーム損失に悩まされます。^{[ 19 ]}

しかしながら、新興の量子ドット中間バンド太陽電池などの特定のタイプのナノ構造太陽電池では、プラズモンナノ粒子の近傍で生成される非常に強い散乱近接場が、ホスト半導体に埋め込まれた量子ドットの局所吸収増幅に利用される可能性がある。^{[ 20 ] [ 21 ]}

近年、ナノ粒子のプラズモン非対称モードは、広帯域光吸収を促進し、太陽電池の電気特性を向上させることがわかっている。ナノ粒子のプラズモン光学効果とプラズモン電気効果が同時に現れることは、ナノ粒子プラズモンの有望な特徴を示している。^{[ 13 ]}

多段階エネルギー準位太陽電池の基本的な考え方は、薄膜太陽電池を積み重ねることです。各薄膜太陽電池は異なるバンドギャップを持つため、最初のセルで吸収されなかった太陽光スペクトルの一部は、そのすぐ下のセルで吸収されます。これらを積み重ね、各セルに最適なバンドギャップを用いることで、最大の発電量を得ることができます。各セルの接続方法には、直列接続や並列接続など、複数の選択肢があります。太陽電池の出力が2本のリード線のみとなるため、直列接続が望ましいとされています。

各薄膜セルの格子構造は同じでなければなりません。そうでなければ損失が発生します。層の成膜に使用されるプロセスは複雑です。これには、分子線エピタキシーと有機金属気相エピタキシーが含まれます。現在の効率記録はこのプロセスで達成されていますが、格子定数は完全に一致していません。格子の違いにより最初の2つのセルに最適なバンドギャップ材料を使用できるため、この損失はそれほど大きくありません。このタイプのセルは50%の効率を達成できると予想されています。

より安価な成膜プロセスを用いた低品質材料についても研究が進められている。これらのデバイスは効率こそ劣るものの、価格、サイズ、出力のバランスを考慮すると、同等のコスト効率を実現できる。プロセスがより簡便で材料も入手しやすいため、これらのデバイスの大量生産はより経済的である。

太陽電池の問題点は、表面に当たった高エネルギー光子が熱に変換されてしまうことです。入射光子が利用可能なエネルギーに変換されないため、これはセルにとって損失となります。ホットキャリアセルの考え方は、熱に変換される入射エネルギーの一部を利用することです。電子と正孔が高温の状態で収集できれば、セルからより高い電圧を得ることができます。しかし、この方法の問題点は、電子と正孔を収集する接点が材料を冷却してしまうことです。これまで、接点がセルを冷却しないようにすることは理論上の話でした。発生した熱を利用して太陽電池の効率を向上させるもう1つの方法は、低エネルギー光子が電子と正孔のペアを励起できるセルを作ることです。これには小さなバンドギャップが必要です。選択接点を使用すると、低エネルギーの電子と正孔を収集しながら、高エネルギーの電子と正孔はセル内を移動し続けることができます。選択接点は、二重障壁共鳴トンネル構造を使用して作られます。キャリアは冷却され、フォノンと散乱されます。フォノンのバンドギャップが大きい材料の場合、キャリアがより多くの熱を接触面に運び、格子構造内で熱が失われることはありません。フォノンのバンドギャップが大きい材料の一つに窒化インジウムがあります。ホットキャリアセルはまだ開発初期段階ですが、実験段階へと移行しつつあります。

プラズモンは、調整可能な共鳴と前例のない近接場増強という独自の特性を持ち、光管理を可能にする技術です。近年、薄膜太陽電池の性能は、金属ナノ構造を導入することで著しく向上しています。この向上は主に、光の伝搬、吸収、散乱を操作するためのプラズモン光学効果によるものです。プラズモン光学効果は、(1)活性材料の光吸収を増強し、(2)金属ナノ構造周辺の局所的な近接場増強により、活性層での光吸収を空間的に再分配することができます。プラズモン光学効果とは別に、プラズモン的に改変された光キャリア（電子と正孔）の再結合、輸送、収集の効果（以下、プラズモン電気効果と呼ぶ）が、Shaらによって提案されています。^{[ 40 ] [ 41 ]}デバイス性能を向上させるために、任意の電子と正孔の移動度比に合わせて調整された一般的な設計ルールを考案し、光キャリアの輸送経路を決定しました。^{[ 41 ]}この設計ルールは、電子と正孔の輸送長比が電子と正孔の移動度比とバランスが取れている必要があることを示唆しています。言い換えれば、電子と正孔の輸送時間（初期生成サイトから対応する電極まで）は同じである必要があります。この一般的な設計ルールは、デバイスの活性層で光吸収を空間的に再分配することによって実現できます（プラズモン電気効果を使用）。また、プラズモン電気有機太陽電池で空間電荷制限を破ることも実証しました。 ^{[ 40 ]} 最近、ナノ粒子のプラズモン非対称モードが広帯域光吸収を促進し、太陽電池の電気特性を向上させることがわかっています。ナノ粒子のプラズモン光学効果とプラズモン電気効果が同時に現れることは、ナノ粒子プラズモンの有望な特徴を示しています。^{[ 13 ] [ 42 ]}

効率損失を最小限に抑えながらシリコンウェーハの厚さを減らすことは、ウェーハベースの太陽電池のコスト効率を高める主流のトレンドです。最近、Zhang らは、適切に設計されたナノ粒子構造を用いた高度な光閉じ込め戦略を用いることで、太陽電池の効率を 18.2% に損なうことなく、ウェーハの厚さを現在の厚さ (180 μm) の約 1/10 にまで大幅に削減できることを実証しました。現在のウェーハの厚さのわずか 3% のナノ粒子統合型超薄型太陽電池は、吸収の向上とウェーハの薄化による開放電圧の増加という利点を組み合わせることで、潜在的に 15.3% の効率を達成できます。これは、相対的な効率損失がわずか 15% であるにもかかわらず、材料を 97% 節約できることを意味します。これらの結果は、プラズモン光閉じ込めによる高効率超薄型シリコンウェーハセルの実現可能性と将来性を示しています。^{[ 43 ]}