双面金字塔光栅优化薄膜硅太阳能电池宽带光吸收

摘要

在晶体硅（CS）薄膜上采用双面金字塔光栅可显著拓宽光吸收性能。前表面光栅有效抑制短波段反射，后表面光栅在长波段实现类似效果。本研究分析双面结构各组件的光子吸收分布，并以裸CS为基准对比。理论模拟表明，合理调控光栅参数能大幅降低宽带反射，促成黑硅形成并提升整体捕光能力。然而，结果显示增加后光栅并未转化为硅体内更高的有效吸收。

背景

微纳加工进展使纳米级表面纹理和工程形貌成为新一代光伏技术的基石。对CS薄膜太阳能电池而言，优化结构参数对逼近Yablonovitch理论极限至关重要。因每个高于带隙能量的吸收光子仅产生一个电子-空穴对，光子吸收在各层的分布决定最终转换效率。本文聚焦前金字塔光栅（FPG）、后金字塔光栅（RPG）及其组合（DSPG）对CS层光子吸收的影响。

我们将总光子吸收A分解为三部分：前光栅吸收（A_F）、硅体吸收（A_Si）、后光栅吸收（A_R），如图1所示，满足守恒关系R + T + A = 1。值得注意的是，A_Si在不同结构变体中的计算方式不同。

方法

模拟结合净辐射法与有效介质近似，该组合持续匹配硅光栅实验数据。图2展示多层体系：N层堆叠，各界面（i=1…N-1）具有复折射率N_i。入射/出射能量通量分别记为Q_{i,a}、Q_{i,b}、Q_{i+1,c}、Q_{i+1,d}。

各界面能量平衡遵循：

Q_{i,a}=τ_i Q_{i,c}
Q_{i,b}=r_{i,i+1} Q_{i,a} + t_{i+1,i} Q_{i+1,d}
Q_{i+1,c}=t_{i,i+1} Q_{i,a} + r_{i+1,i} Q_{i+1,d}
Q_{i+1,d}=τ_{i+1} Q_{i+1,b}

其中r_{i,i+1}、t_{i,i+1}为菲涅尔反射率和透射率。第i层吸收衰减为τ_i = exp[-α_i d_i / cos φ_i]，α_i = 4πk_i/λ，k_i为N_i虚部。假设正入射Q_{1,a}=1、后界面出射通量Q_{N,d}=0，第i层吸收系数A_i = Q_{i,a} - Q_{i,c} + Q_{i,d} - Q_{i,b}。

金字塔层有效折射率由Bruggeman公式获取：

f₁(N²_Si - N²_Eff)/(N²_Si + 2N²_Eff) + f₂(N²_Air - N²_Eff)/(N²_Air + 2N²_Eff) = 0

其中f₁、f₂=1-f₁为硅和空气体积分数。第i层总吸收光子通量为Φ_i = ∫ A_i F(λ) λ/(h₀c₀) dλ，F(λ)为AM1.5太阳谱。总吸收通量Φ = ΣΦ_i。

结果与讨论

为公平比较，设CS层厚度H=10 µm。金字塔高度和底径固定为H₁=H₂=200 nm，D₁=D₂=100 nm。前光栅周径比P₁/D₁=1。后光栅探索P₂/D₂=1和10。双面结构组合这些参数集。

图3汇总各结构光学性能。前光栅大幅降低宽带反射、提升总吸收，尤其在短波区（区域I、II）。当P₂/D₂=10时，后光栅进一步抑制红外区（区域II）反射。DSPG可逼近Yablonovitch极限，全谱近零反射，实现黑硅特征。有趣的是，后光栅增加可见光和近红外透射，或有利于光电探测器。

为剖析光子吸收位置，图4、5给出FPG和RPG的三维等高图。FPG显示：增加金字塔高度虽增强总吸收，但前层过高反而降低硅体吸收。最优前光栅几何为P₁/D₁=1.05、H₁=53 nm。

RPG方面，较大周径比（P₂/D₂=10）配合较矮金字塔通过将光导回有源层增强红外吸收。但硅体吸收基本不变，因后光栅反射多于捕获光子。因此，后光栅虽提升总吸收，却未增强CS体内有效吸收。

图6整合四组代表性DSPG参数性能。前光栅比过大（如P₁/D₁=10、H₁=10 nm）反而增加反射、降低吸收。仅P₁/D₁=1.05、H₁=53 nm配合P₂/D₂=1.03、H₂=170 nm实现全谱近零反射和最大吸收。但即使最优DSPG，硅体吸收分数仍不超最佳单前光栅，凸显后光栅对体吸收贡献有限。

综上，后光栅虽可调控光谱响应、降低反射，但对硅体有效吸收改善微乎其微。前光栅几何仍是最大化体吸收、实现高效低反射硅电池的关键杠杆。

结论

双面金字塔光栅策略提升整体光吸收、全谱抑制反射，但不增强硅体有效吸收。为最优性能，建议前光栅周径比<1.4、高度10–600 nm。后光栅对体吸收裨益极小，可省略，转而采用聚焦前表面纹理的简化、低成本设计。

缩略语

CS

晶体硅

DSPG

双面金字塔光栅

FPG

前金字塔光栅

RPG

后金字塔光栅