基于薄膜硅太阳电池电荷传输特性考虑的减反和陷光研究

High-efficient antireflection and light-trapping are essential for high conversion efficiency of thin-film silicon solar cells due to their reduced thickness of absorption layers. In general, the conventional texturized light-trapping structures inside solar cells do increase the short-circuit current density, accompanied with the decrease of open-circuit voltage and fill factor. To relieve the trade-off between light-trapping and carrier transportation, this project is going to study a novel antireflection and light-trapping structure, composed of exterior textures and interior flattened surfaces, which decouples the physical textures from light scattering. First, the exterior textures with antireflection coatings will couple solar irradiances into solar glass with a certain angle and suppress the reflections. And then, the planar transmission phase gratings, consisting of fillers and transparent conductive oxides, on the other side of solar glass, will couple the higher-order diffracted beams with higher diffraction efficiencies and larger angles into active layers. With the aid of such joint light distribution, the probability of entry into escape cone will be significantly reduced; the defects in active layers will be greatly suppressed due to no texturized structures, compared with the growth of active layers on conventional textures, simultaneously realizing high-efficient light management and carrier transportation. This project will provide a novel way for antireflection and light-trapping, which is an optical design considering the optimal carrier transportation.

薄膜太阳电池中由于光吸收层厚度的减小，高效的减反和陷光对实现高转换效率尤为重要。通常，传统电池内部的绒面陷光结构在提升短路电流密度的同时会导致开路电压和填充因子的下降。针对陷光与电荷传输之间的矛盾，本项目提出电池外部绒面和内部平面结构相结合的研究方案，以实现物理绒面与光学散射的独立调控。首先，利用光伏玻璃进光面的外部绒面和减反膜复合结构将阳光以一定角度耦合进入玻璃衬底，并抑制其反射；然后，再利用玻璃另一侧由透明导电材料与填充材料所组成的平面透射相位光栅将具有高衍射效率的高阶衍射光以更大角度耦合进入光电转换功能层。通过上述外部绒面和内部平面结构的联合配光，可以大幅度降低光在功能层中进入逃逸锥的几率。由于内部无绒面结构，更能显著降低功能层的生长缺陷，以保证高效的光电转换和电荷传输。本项目的实施将为电池减反和陷光研究提供新的思路--基于优化电荷传输特性考虑的光学设计。

太阳电池中对于阳光的充分吸收和载流子有效分离会对活性层厚度提出彼此矛盾的要求，增加活性层厚度有利于提高光吸收，但不利于载流子分离。为了解决这一矛盾，通常需要在较薄的光吸层收条件下引入减反和陷光机制以增加光在电池中的有效光程，然而，传统的在电池内部通过绒面陷光结构提升短路电流密度的策略不可避免会导致开路电压和填充因子的下降。针对陷光与电荷传输之间的矛盾，本项目提出在电池外部制备绒面结构，而在内部采用平面结构的研究方案，以实现物理绒面与光学散射的独立调控。通过本项目的研究主要取得以下成果：一方面，利用纳米压印技术将绒面晶硅的微纳结构转印至二氧化硅溶胶和聚二甲基硅氧烷，分别获得了刚性和柔性微纳结构，将其用于晶硅和钙钛矿电池分别实现了3.23%和6.75%的相对光电转换效率提升。另一方面，设计和制备了基于超薄金属的新型透明导电电极材料，通过常温磁控溅射达到了81.7%的可见平均透过率和7.2 Ohm/sq.的方块电阻，将其应用于纸基有机太阳电池，获得了5.94%的光电转换效率，经500次半径为1mm的弯折后，电池仍能维持初始效率的98%，显示出极好的电荷传输特性。本项目的研究成果利用外部绒面和内部平面结构同时保证了高效的光捕获和电荷传输，并进一步为电池减反和陷光研究提供了新的研究思路，即基于优化电荷传输特性考虑的光学设计。