Cellule solaire plasmonique: Exploiter la conversion d'énergie à l'échelle nanométrique pour une production d'énergie durable

Par Fouad Sabry

Cellule solaire plasmonique-Ce chapitre présente le concept des cellules solaires plasmoniques et détaille leurs avantages en termes d'absorption lumineuse et d'efficacité.

Microscopie à résonance plasmonique de surface-Une exploration approfondie de la manière dont la microscopie à résonance plasmonique de surface contribue à la compréhension des structures plasmoniques et de leur comportement.

Cellule solaire à couches minces-Découvrez l'intégration de la plasmonique dans les cellules solaires à couches minces pour une utilisation réduite de matériaux et une efficacité accrue.

Or colloïdal-Découvrez comment les nanoparticules d’or colloïdal peuvent être utilisées pour améliorer les performances des cellules solaires plasmoniques.

Nanophotonique-Présentation de la fusion de la nanophotonique et de la plasmonique pour contrôler la lumière à l’échelle nanométrique et améliorer ainsi la fonctionnalité des cellules solaires.

Plasmonique-Ce chapitre explore en profondeur la plasmonique, expliquant ses principes fondamentaux et son application aux technologies des énergies renouvelables.

Spectroscopie Raman exaltée de surface-Comprendre le rôle de la spectroscopie Raman exaltée de surface dans l’analyse des matériaux plasmoniques pour le développement de cellules solaires.

Nanocoques-Ce chapitre explique comment les nanocoques, grâce à leurs propriétés optiques uniques, contribuent à améliorer l’efficacité des cellules solaires.

Thérapie photothermique-Explorez l’application des nanomatériaux plasmoniques en thérapie photothermique et leur potentiel d’applications énergétiques.

Nanoparticules plasmoniques-Découvrez le rôle des nanoparticules plasmoniques dans la conception de cellules solaires et leur capacité à améliorer l’absorption lumineuse et la conversion d’énergie.

Plasmon de surface localisé-Ce chapitre aborde le concept de résonance plasmonique de surface localisée, essentielle à l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires plasmoniques.

Métamatériau plasmonique-Découvrez la conception et l’application des métamatériaux plasmoniques, une avancée majeure dans l’amélioration des propriétés des cellules solaires.

Plasmon de surface-Plongez au cœur de la science derrière l’excitation des plasmons de surface, un facteur clé dans l’optimisation des performances des cellules solaires plasmoniques.

Nanolaser-Une exploration de la manière dont les nanolasers plasmoniques pourraient révolutionner les technologies de récupération d’énergie.

Plasmon-Ce chapitre examine le rôle des plasmons dans le transfert d’énergie et leur influence sur le développement de cellules solaires performantes.

Plasmonique du graphène-Découvrez la synergie entre le graphène et la plasmonique et comment elle pourrait conduire à des cellules solaires plus performantes.

Polariton de plasmon de surface-Découvrez le phénomène des polaritons de plasmon de surface et leur potentiel pour faire progresser les technologies de l’énergie solaire.

Résonance des plasmons de surface-Étude détaillée de la résonance des plasmons de surface et de son rôle crucial dans le développement de cellules solaires hautes performances.

Prashant K. Jain-Ce chapitre met en lumière les contributions de Prashant K. Jain à l’avancement du domaine de la plasmonique, en mettant l’accent sur les applications énergétiques.

Plasmonique multicouche-Examinez le concept de plasmonique multicouche et son potentiel pour améliorer la conception des cellules solaires.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 15 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Cellule solaire plasmonique

Une cellule solaire plasmonique, plus souvent appelée cellule solaire plasmonique, est un type de cellule solaire (y compris les cellules à couche mince ou à base de plaquettes) qui convertit la lumière en électricité à l'aide de plasmons, mais où l'effet photovoltaïque se produit dans un autre matériau. Un autre type de cellule solaire est une cellule solaire plasmonique.

Une cellule solaire qui utilise des plasmons comme matériau photovoltaïque actif est appelée cellule solaire plasmonique directe. Ce type de cellule solaire est capable de convertir la lumière en électricité.

L'épaisseur du matériau actif diffère de celle des plaquettes photovoltaïques en silicium conventionnelles, qui varient d'environ 100 à 200 μm.

, d'une épaisseur inférieure à 2 micromètres, et qui, en théorie, pourrait être aussi mince que 100 nanomètres.  Il est possible de soutenir les appareils sur des substrats moins coûteux que le silicium, tels que le verre, l'acier, le plastique ou d'autres matériaux polymères (par exemple, le papier). Le fait que les cellules solaires à couche mince n'absorbent pas autant de lumière que les cellules solaires plus épaisses construites avec des matériaux ayant le même coefficient d'absorption est l'un des problèmes auxquels les cellules solaires à couche mince sont confrontées.  Lorsqu'il s'agit de cellules solaires à couche mince, de nombreuses méthodes de piégeage de la lumière sont essentielles. Grâce à la dispersion de la lumière au moyen de nanoparticules métalliques qui sont activées à leur résonance plasmonique de surface localisée, les cellules plasmoniques sont capables d'augmenter leurs capacités d'absorption. Les nanoparticules plasmoniques cœur-coquille, qui sont positionnées à l'avant des cellules solaires à couche mince, ont le potentiel d'aider à la faible absorption des cellules solaires en silicium dans la région du proche infrarouge. En effet, la fraction de lumière dispersée dans le substrat et l'amélioration maximale de la longueur du chemin optique peuvent atteindre jusqu'à 3133. D'autre part, les cellules solaires plasmoniques directes tirent parti du fait que la lumière entrante à la fréquence de résonance plasmonique provoque des oscillations électroniques à la surface des nanoparticules elles-mêmes. Après cela, une couche conductrice qui génère un courant électrique peut acquérir les électrons d'oscillation et les utiliser à ses propres fins. La bande interdite de la couche conductrice et le potentiel de l'électrolyte en contact avec les nanoparticules jouent tous deux un rôle dans la détermination de la tension générée.

Pour que ces technologies réalisent leur plein potentiel et que les cellules solaires plasmoniques soient commercialisées, il reste encore beaucoup de recherches à faire.

Il existe désormais trois générations distinctes de cellules solaires disponibles à l'achat. Les plaquettes de semi-conducteurs cristallins sont utilisées dans la production de la première génération, qui comprend les produits déjà disponibles sur le marché. Le silicium cristallin était responsable de « jusqu'à 93 % de part de marché et d'environ 75 GW installés en 2016 ».

Les cellules solaires modernes sont capables de capter la lumière en formant des pyramides à leur surface. Ces pyramides ont des dimensions plus grandes que celles de la majorité des cellules solaires à couche mince. Il a été étudié s'il est possible ou non de déposer le SC sur le substrat après avoir rendu la surface du substrat rugueuse (généralement en cultivant du SnO2 ou du ZnO à la surface) avec des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde qui arrivent. Cette technique entraînerait une augmentation du photocourant ; Cependant, les cellules solaires à couche mince auraient donc une qualité de matériau inférieure.

Les cellules solaires de la deuxième génération sont soutenues par des technologies de couches minces, telles que celles abordées dans cet article. Ces cellules solaires sont conçues pour réduire la quantité de matériaux nécessaires tout en augmentant la quantité d'énergie produite.  À l'heure actuelle, des recherches sont menées sur les cellules solaires de la troisième génération. Ils se concentrent sur la recherche de moyens de réduire le prix des cellules solaires de la deuxième génération.

Des informations détaillées concernant la troisième génération de SC peuvent être trouvées dans la section « Avancées récentes » de cet article.

Il existe une variété de conceptions différentes de cellules solaires améliorées par plasmonique, et ces conceptions sont déterminées par l'approche utilisée pour capturer et diffuser la lumière à travers la surface et à travers le matériau.

Le processus de dépôt de nanoparticules métalliques sur la surface supérieure de la cellule solaire est une conception fréquemment utilisée. Chaque fois que la lumière frappe ces nanoparticules métalliques à leur surface en résonance plasmonique, la lumière est diffusée de différentes manières. Cela permet à la lumière de circuler le long de la cellule solaire et de rebondir entre le substrat et les nanoparticules, ce qui permet à la cellule solaire de devenir plus efficace pour absorber la lumière. L'absorption optique des semi-conducteurs sera facilitée par l'intensité concentrée du champ proche créée par le plasmon de surface localisé des nanoparticules métalliques. Récemment, il a été découvert que les modes asymétriques plasmoniques des nanoparticules ont la capacité d'augmenter les caractéristiques électriques des cellules solaires et de contribuer à l'amélioration de l'absorption optique à large bande. Le fait que les nanoparticules puissent présenter simultanément des effets plasmon-optiques et plasmon-électriques révèle une caractéristique potentielle des technologies plasmoniques de nanoparticules.

Récemment, il a été démontré qu'une nanoparticule cœur-coquille, composée d'un noyau métallique et d'une coquille diélectrique, présentait une diffusion vers l'arrière nulle et une diffusion vers l'avant améliorée sur un substrat Si. Cela se produit lorsque le plasmon de surface est positionné devant une cellule solaire. Par rapport aux nanoparticules métalliques nues, les nanoparticules noyau-coquille ont la capacité de supporter simultanément des résonances électriques et magnétiques, affichant des caractéristiques fondamentalement nouvelles. Cela n'est possible que si les résonances sont créées de manière appropriée.

Bien que ces avantages soient présents, l'application de nanoparticules métalliques à l'avant des cellules solaires pourrait entraîner des pertes optiques importantes. Ces pertes sont principalement causées par l'ombrage partiel et la réflexion de la lumière qui frappe les cellules. Au lieu de cela, leur intégration à l'arrière des dispositifs à couche mince, en particulier entre la couche absorbante et le contact métallique arrière (agissant comme un miroir réfléchissant), peut contourner ces problèmes puisque les particules n'interagissent qu'avec la lumière de plus grande longueur d'onde qui est faiblement absorbée par la cellule, pour laquelle les effets de diffusion plasmonique peuvent permettre des gains de photocourant prononcés. Les améliorations les plus significatives de l'efficacité photovoltaïque (PV) ont été rendues possibles par une configuration connue sous le nom de réflecteur arrière plasmonique, qui a été démontrée par exemple dans les cellules solaires en silicium à couche mince.

D'autres techniques qui utilisent des plasmons de surface dans le but de récupérer l'énergie solaire sont disponibles. Avoir une fine couche de métal et une fine pellicule de silicium sur la surface inférieure de la structure est encore une autre approche de la construction de la structure.  Des plasmons de surface seront générés au contact entre le silicium et le métal à la suite de la lumière voyageant à travers le silicium. En raison du fait que les champs électriques ne pénètrent pas très loin dans les métaux, ce processus entraîne la génération de champs électriques dans le silicium. Les électrons peuvent être transportés et collectés pour produire un photocourant si le champ électrique est suffisamment fort pour effectuer les calculs nécessaires. Afin d'exciter autant de photons que possible dans le film mince de silicium, le film mince de métal utilisé dans cette conception doit avoir des rainures de taille nanométrique et agir comme des guides d'ondes pour la lumière qui entre.

Un électron et un trou sont séparés dans une cellule solaire par le processus de stimulation d'un photon dans le substrat de la cellule. Étant donné que les électrons et les trous ont des charges opposées, une fois séparés, ils chercheront à fusionner à nouveau car ils sont incompatibles les uns avec les autres. S'il est possible de collecter les électrons avant que cet événement ne se produise, ils peuvent être utilisés comme source de courant pour un circuit externe à la place. La conception d'une cellule solaire implique toujours de faire un compromis entre la réduction de la quantité de recombinaison qui se produit (via des couches plus minces) et l'augmentation de la quantité de photons absorbés (à travers des couches plus épaisses).

La diffusion et l'absorption de la lumière qui se produisent à la suite du dépôt de nanoparticules métalliques sont les principes fondamentaux qui régissent le fonctionnement des cellules solaires améliorées par plasmonique. Le silicium n'est pas un très bon matériau pour absorber la lumière. En conséquence, il est nécessaire de disperser une plus grande quantité de lumière sur toute la surface afin d'améliorer l'absorption. Il a été découvert que les nanoparticules de métal contribuent à la diffusion de la lumière provenant de l'extérieur à la surface du substrat de silicium. Il est possible d'exprimer les équations qui régulent la diffusion et l'absorption de la lumière comme suit :

Dans cet exemple, la lumière est diffusée par des particules dont le diamètre est inférieur à la longueur d'onde de la lumière.

Le coefficient d'absorption d'un modèle de dipôle ponctuel est illustré ci-dessous.

On peut dire que la polarisabilité de la particule est ceci. Il s'agit du volume des particules.

ε

un.

Affichage de l'epsilon sous la forme d'une valeur p

fait référence à la fonction diélectrique que possède la particule.

ε

un.

Le style d'affichage est ^epsilon _{m}}.

représente la fonction diélectrique du milieu qui est intégré. Chaque fois que

ε

un.

=

−-

2.

ε

un.

Un style d'affichage de \displaystyle \epsilon _{p}=-2\epsilon _{m}}

Au fur et à mesure que la polarisabilité de la particule augmente, elle devient plus soluble. La résonance plasmonique de surface est le nom donné à cette forme particulière de polarisabilité. Les termes suivants peuvent être utilisés pour définir la fonction diélectrique des métaux qui ont une faible absorption :

L'équation précédente est la suivante :

ω

un.

Avec un style d'affichage de \omega _{p}}

Quelle est la fréquence du plasma en vrac ? Il est défini comme suit :

La masse effective d'un électron est désignée par la lettre m, tandis que la charge électronique est désignée par la lettre e. N est la densité des électrons libres.

ε

0

Le style d'affichage est un epsilon avec une valeur de zéro.

L'espace vide a une constante diélectrique égale à. En gardant cela à l'esprit, l'équation qui décrit la résonance plasmonique de surface dans l'espace libre peut être exprimée comme suit :

Les nanoparticules sont utilisées par un nombre important de cellules solaires plasmoniques afin d'améliorer la diffusion de la lumière. Parce que ces nanoparticules adoptent la forme de sphères, il est important d'avoir une fréquence de résonance plasmonique de surface qui correspond aux sphères. En résolvant les équations précédentes, la fréquence de résonance plasmonique de surface d'une sphère en espace libre peut être exprimée comme suit