纳米粒子太阳能电池具有将太阳光转化为电能的独特能力，同时减少了材料的使用、缩短了沉积时间并增强了有缺陷的吸收材料中的载流子收集。

发表在《科学报告》杂志上的一项研究探讨了使用硅 (Si) 纳米粒子太阳能电池作为超薄光伏器件中的光捕获吸收器的可能性。

纳米粒子太阳能电池的优势

纳米粒子太阳能电池是超薄光伏结构，与传统太阳能电池相比，吸收体厚度减少了十倍。

超薄细胞可能具有几个优点。使用稀有元素时，最大限度地减少材料使用是增加成本节约的直接方法。

归因于超薄层的减少的沉积持续时间有效地导致更高的工业制造量和更低的成本。此外，开路电压随着吸收材料厚度的减小而升高。

超薄光伏已经取得了越来越多的进步，并且由于它们的载流子扩散长度小，可以抵抗辐射损伤，因此已被用于航天器中。此外，它们的灵活特性使它们成为便携式小工具的绝佳能源。

纳米粒子太阳能电池的光学和电学方面

设计纳米粒子太阳能电池需要关注纳米粒子太阳能电池的光学和电气方面。

关于光学方面，电池的吸收行为是定义电池设计在产生更大光电流方面的有效性的基本特征。

优化细胞吸收体的带隙并使用载流子传输方程来评估光载流子的产生、扩散、漂移和重组是重要的电气方面。

超薄光伏最显着的缺点是缺乏足够的光吸收。因此，研究人员通常专注于开发具有实际应用的光管理设计。

使用纳米粒子的好处

在超薄光伏结构上蚀刻图案可能与这些超薄电池的基本优势相矛盾，并使它们的概念更具挑战性。因此，具有足够效率的基本单元布局通常是可取的。

在增加超薄光伏器件短路电流的几种策略中，结合不均匀的粗糙表面已显示出令人鼓舞的结果。

纳米粒子对增强吸收和拓宽越来越小的光伏电池的太阳光谱带的有利影响最近成为焦点。与光子晶体图案化不同，纳米粒子可以使用较便宜的工艺生产和涂覆。

与 GaAs 太阳能电池相比，廉价的硅基纳米颗粒太阳能电池具有更好的商业前景，可用于多种陆地应用，且能源需求最少。

研究人员做了什么？

该团队展示了一种有前途的光子管理方法，用于使用多层硅纳米颗粒太阳能电池进行超薄光伏发电。

他们展示了自然纹理设计分离和传输光生载流子和吸收光的能力。

该团队针对具有相似厚度的平面单元评估了由 Mie 散射体形成的结构的光学特性。他们对斜入射和不同粒子周期时不同层数的细胞行为进行了完整评估。

研究了几种将硅纳米颗粒定制为纳米颗粒太阳能电池的活性元素的情况。然后，选择合适的架构，并优化其电气和几何特性。

为了进一步增强吸收，研究人员研究了将二氧化硅纳米粒子铺展在细胞前部的影响。

研究结果

在这项研究中，提出了具有亚微米尺寸的多层硅纳米颗粒作为纳米颗粒太阳能电池中的吸收元素。

研究人员进行了一项参数研究，以研究 Mie 散射体组的吸收性能，发现纳米颗粒太阳能电池的吸收性能在层数较少的情况下更大，而在层数较多的情况下接近平坦 Si 层的吸收性能。

在硅纳米粒子的集中群体中，周期性对提高纳米粒子太阳能电池的吸收没有影响。为了将 Si 纳米颗粒改性为 pn 结，开发了多种设计。

该团队分析了不同案例研究的电气性能，并得出结论，考虑到纳米颗粒太阳能电池的超薄特性，潜在效率可以达到 11% 左右，这是一个有希望的结果。

该研究还表明，在电池面顶部添加具有适当尺寸的二氧化硅纳米粒子可以将光电流增加约 10%。