Nowa metoda teoretyczna służąca do opisu ultracienkich ogniw słonecznych

Amerykańscy fizycy opracowali nową metodę teoretyczną służącą do obliczania właściwości ultracienkich ogniw słonecznych. Wyniki otrzymane przez naukowców sugerują, że ogniwa, których konstrukcja przyczynia się zwiększeniu ilości światła absorbowanego przez takie ogniwo może mieć czasami negatywny wpływ na wydajność takich urządzeń. Zespół pracuje obecnie nad dalszym rozwijaniem tej metody, aby można ją było stosować w ramach symulacji numerycznych wykorzystywanych w projektowaniu ogniw słonecznych.

Ultracienkie ogniwa słoneczne w porównaniu z ich nieco grubszymi odpowiednikami posiadają dwie kluczowe korzyści. Pierwszą z nich jest mniejsza ilość materiału potrzebna do ich budowy. Drugą, będącą konsekwencją pierwszej – większa efektywność rekombinacji promienistej par elektron-dziura, uwalnianych w procesie absorpcji światła. Cienkie ogniwa pochłaniają jednak znacznie mniej światła, niż ogniwa o większej grubości, w związku z czym naukowcy są bardzo zainteresowani wykorzystywaniem do ich budowy struktur nanometrowej wielkości, które zwiększałyby ilość absorbowanego, przez takie ogniwa, światła. Struktury te zazwyczaj wykorzystują efekty optyczne bliskiego pola, wśród których możemy wyróżnić procesy oddziaływania światła z plazmonami powierzchniowymi, czyli oscylacjami elektronów występujących na powierzchni metalu. Niestety, efekty te mogą również wywierać istotny wpływ na szybkość rekombinacji par elektron-dziura, prowadząc tym samym do zmniejszenia wydajności takich ogniw.

Szybkość tworzenia par elektron-dziura – wyznacznik jakości ogniw słonecznych

Chociaż proces absorpcji światła zachodzący w ultracienkich ogniwach słonecznych jest stosunkowo dobrze zrozumiany, informacje dotyczące efektów bliskiego pola wciąż nie są kompletne. Obecnie sytuacja ta uległa jednak zmianie, ponieważ Avi Niv wraz ze współpracownikami z University of California w Berkeley, opracowali nowy sposób oceny wydajności ogniw słonecznych, w szczególności tych o bardzo małej grubości. Metoda ta korzysta z „twierdzenia rozpraszania fluktuacji”, uwzględniającego efekty związane z układem znajdującym się w równowadze termicznej oraz efekty związane z wprowadzeniem do niego niewielkich zaburzeń (fluktuacji). W przypadku ogniwa słonecznego, termin układ w równowadze odnosi się do szeregu procesów obejmujących m.in. absorpcję oraz emisję fotonów. Aby obliczyć wydajność ogniwa słonecznego, fizycy muszą znać zarówno szybkość tworzenia par elektron-dziura oraz szybkość, z jaką pary te ulegają promienistej rekombinacji. Im większa szybkość tworzenia par elektron-dziura w stosunku do ich ponownego „spotkania”, tym lepsze ogniwo słoneczne.

Fizycy potraktowali te obydwa procesy jako zaburzenia układu promieniujących dipoli. Takie termodynamiczne podejście pozwoliło im użyć twierdzenia rozpraszania fluktuacji do wyrażenia efektywności rekombinacji w kategoriach zmiennych termodynamicznych, takich jak temperatura, czy potencjał chemiczny. Zespół Niv korzystając z tej metody dokonał obliczenia kluczowych parametrów ultracienkich ogniw słonecznych tj. napięcia, prądu oraz ich wydajności. Model ogniwa użyty w obliczeniach składał się z ultracienkich warstw półprzewodnikowego arsenku galu (GaAs) osadzonego na złotym podłożu. Założono, że światło pada z powietrza na ogniwo słoneczne oraz, że światło niezaabsorbowane przez ogniwo, ulega odbiciu od warstwy złota, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo absorpcji światła. W oparciu o te założenia zespół zidentyfikował cztery możliwe kanały emisji światła: światło emitowane w kierunku powietrza oraz światło emitowane w kierunku warstwy podłoża – przy czym każde z nich mogło występować w dwóch różnych polaryzacjach.

Grubość ogniwa słonecznego wpływa na jego wydajność

Obliczenia wykonane dla ogniw o różnej grubości – od kilku do kilkuset nanometrów – wykazały, że emisja światła ulega zmianie w zależności od grubości ogniwa. W szczególności, obliczenia te pozwoliły przewidzieć maksimum emisji światła spolaryzowanego równolegle względem złotego podłoża, co zostało określone przez zespół jako wyraźny przejaw występowania efektów bliskiego pola. Aby zbadać wpływ tego zjawiska na wydajność ogniw słonecznych, fizycy poddali wnikliwej analizie dane dotyczące stosunku szybkości tworzenia do rekombinacji promienistej par elektron-dziura. Okazało się, że w przypadku ogniw o grubości 40 nm należy się spodziewać wyraźnego minimum, ze względu na występujące dla tej grubości maksimum emisji światła oraz zjawisk związanych z efektami bliskiego pola.

Zdaniem Niv, badania te dowodzą, że wykorzystanie nanostruktur do budowy ogniw słonecznych w celu zwiększenia ich współczynnika absorpcji światła, może mieć również negatywny wpływ na ich współczynnik emisji światła. W konsekwencji oba te efekty muszą być brane pod uwagę przy określaniu ogólnej wydajności projektowanego ogniwa.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com