view in publisher's site

Fundamental Limitations to Plasmonic Hot-Carrier Solar Cells

Detailed balance between photon-absorption and energy loss constrains the efficiency of conventional solar cells to the Shockley-Queisser limit. However, if solar illumination can be absorbed over a wide spectrum by plasmonic structures, and the generated hot-carriers can be collected before relaxation, the efficiency of solar cells may be greatly improved. In this work, we explore the opportunities and limitations for making plasmonic solar cells, here considering a design for hot-carrier solar cells in which a conventional semiconductor heterojunction is attached to a plasmonic medium such as arrays of gold nanoparticles. The underlying mechanisms and fundamental limitations of this cell are studied using a nonequilibrium Green’s function method, and the numerical results indicate that this cell can significantly improve the absorption of solar radiation without reducing open-circuit voltage, as photons can be absorbed to produce mobile carriers in the semiconductor as long as they have energy larger than the Schottky barrier rather than above the bandgap. However, a significant fraction of the hot-carriers have energies below the Schottky barrier, which makes the cell suffer low internal quantum efficiency. Moreover, quantum efficiency is also limited by hot-carrier relaxation and metal–semiconductor coupling. The connection of these results to recent experiments is described, showing why plasmonic solar cells can have less than 1% efficiency.

محدودیت‌های اساسی برای plasmonic کردن سلول‌های خورشیدی حامل

تعادل جزیی بین اتلاف انرژی و اتلاف انرژی بازده سلول‌های خورشیدی معمولی را به حد شاکلی - Queisser محدود می‌کند. با این حال، اگر نور خورشید را می توان بیش از طیف گسترده‌ای از طریق ساختارهای plasmonic جذب کرد، و می‌توان قبل از آرام‌سازی، حامل‌ها را جمع‌آوری کرد، بازده سلول‌های خورشیدی را می توان تا حد زیادی بهبود بخشید. در این کار، ما فرصت‌ها و محدودیت‌های ساخت سلول‌های خورشیدی plasmonic را بررسی می‌کنیم، در اینجا با در نظر گرفتن طرحی برای سلول‌های خورشیدی حامل گرما که در آن یک heterojunction نیمه‌هادی مرسوم به یک محیط plasmonic مانند آرایه‌های نانوذرات طلا متصل می‌شود. مکانیسم اساسی و محدودیت‌های اساسی این سلول با استفاده از روش تابع گرین nonequilibrium مورد مطالعه قرار می‌گیرد و نتایج عددی نشان می‌دهد که این سلول می‌تواند به طور قابل‌توجهی جذب تابش خورشیدی را بدون کاهش ولتاژ مدار باز بهبود بخشد، چرا که فوتون می‌تواند جذب حامل‌های تلفن همراه در نیمه‌رسانا باشد. با این حال، بخش قابل‌توجهی از حامل‌ها در زیر سد Schottky انرژی دارند، که باعث می‌شود سلول از راندمان کوانتومی داخلی پایین جلوگیری کند. علاوه بر این، بازده کوانتومی نیز توسط relaxation حامل گرما و کوپلینگ فلزی - نیمه‌هادی محدود می‌شود. اتصال این نتایج به آزمایش‌ها اخیر شرح داده می‌شود و نشان می‌دهد که چرا سلول‌های خورشیدی plasmonic می‌توانند کم‌تر از ۱ % بازده داشته باشند.

ترجمه شده با

Download PDF سفارش ترجمه این مقاله این مقاله را خودتان با کمک ترجمه کنید
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

95/12/18 - با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس و کروم٬ چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.