鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池: 光學模擬的研究進展*

王其 延玲玲 陳兵兵 李仁杰王三龍 王鵬陽 黃茜 許盛之侯國付 陳新亮 李躍龍 丁毅張德坤 王廣才 趙穎? 張曉丹?

1) (南開大學, 光電子薄膜器件與技術研究所, 太陽能轉換中心, 天津 300350)

2) (天津市光電子薄膜器件與技術重點實驗室, 天津 300350)

3) (薄膜光電子技術教育部工程研究中心, 天津 300350)

4) (化學科學與工程協同創新中心, 天津 300072)

5) (南開大學可再生能源轉換與儲存中心, 天津 300072)

近幾年, 鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池發展迅速, 效率已經從13.7%提升到29.1%.由于疊層電池器件的制作工藝復雜, 而疊層太陽電池中的光學損失對轉換效率的影響很大, 所以通過光學模擬進而獲得高效電池至關重要.本文首先從商業軟件和自建模型兩方面概述了光學模擬的方法, 接著從反射損失和寄生吸收兩方面針對光學模擬研究進展進行了總結和分析, 最后指出了疊層電池光學模擬過程中需要注意的問題.鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的轉換效率極限最高可達40%, 具備很大的提升空間, 結合模擬工作的研究, 疊層電池的發展將會取得更大的進步.

1 引 言

采用背接觸晶硅電池(interdigitated back contact, IBC)與異質結晶硅電池(heterojunction with intrinsic thin layer, HIT)結合工藝制備的晶硅電池效率世界記錄為26.7%[1].晶硅電池的理論極限效率為29.4%, 考慮到光學與電學的實際可能的損失后, 其實際的理論效率只有27.1%[2], 效率提升空間有限.而鈣鈦礦近年來發展迅速[3], 具有帶隙可調、工藝簡單等優點, 適宜做頂電池吸收層材料.模擬結果顯示, 頂電池吸收層材料的適宜帶隙應為1.6—1.9 eV[4], 最常用的吸收材料一般為甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3, 即MAPbI3[5])或者甲脒鉛碘(HC(NH2)2PbI3, 即FAPbI3[6])及其相近變體.隨著疊層電池的發展, 發現Cs 離子、Rb 離子以及Cl離子、Br 離子在鈣鈦礦吸收劑中摻雜會使得頂電池性能提升明顯, 如Cs0.07Rb0.03FA0.765MA0.135Pb(I0.85Br0.15)3[7], Cs0.1FA0.9PbI2.865Br0.135[8]作為頂電池吸收材料的使用, 顯著地提升了疊層電池的性能.如果能將晶硅電池和鈣鈦礦電池結合起來, 效率將會有更大的提升.

疊層電池的概念最初是由Jackson[9]提出的,因其寬光譜吸收、高開路電壓(VOC)、高效率和低成本等優點受到人們的廣泛關注.其轉換效率的理論極限最高達46.1%[4].而鈣鈦礦/硅異質結疊層電池也有著巨大的潛力.鈣鈦礦/硅異質結疊層器件常見的結構有四端和兩端串聯兩種, 如圖1(a)和圖1(b)所示[10].機械堆疊的四端結構, 兩個子單元獨立放置并連接, 可以獨立地保持在最大功率點.但四端結構會使所有外部電力設備(如逆變器)加倍工作.鈣鈦礦/硅異質結兩端疊層太陽電池的頂、底電池直接串聯減少了子電池中功能層的使用, 頂、底電池之間通過具有高效率的隧穿結連接, 如錫摻雜的氧化銦 (indium tin oxide, ITO)等, 這樣能使更多的光子到達底電池.兩端疊層太陽電池制備過程簡單, 減少了寄生吸收, 增加了太陽光的利用率, 適合產業化.最新的研究報告指出,德國亥姆霍茲研究所(HZB)創造了鈣鈦礦/硅疊層電池的最高效率, 達29.1%[11].通過理論計算得出鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的轉換效率超過30%, 最高可超過40%[12?14].相比于單結太陽電池, 超過了Shockley-Quiesser(S-Q)極限[15], 有著非常好的發展前景.

在兩端疊層太陽電池中, 鈣鈦礦材料充當頂電池的有效光學吸收層主要吸收短波段范圍(300—800 nm)的光, 晶硅(c-Si)作為底電池的光學吸收層吸收長波段范圍(800—1200 nm)的光.電流取決于子電池中的最小電流, 合理分配光譜, 使頂、底電池電流匹配, 達到最大輸出電流, 顯得至關重要.光學優化能夠提高光利用率, 通過實施光學管理策略來改善器件的不足, 這對電池效率的提升以及厚度的減薄都具有非常重要的意義.圖1(c)和圖1(d)分別給出了鈣鈦礦(CH3NH3PbBr3)和晶硅(c-Si)吸收層的光學常數[16,17].

圖1 鈣鈦礦/硅疊層太陽電池 (a)四端結構和(b)兩端結構[10]; (c)鈣鈦礦和(d) 晶硅吸收層的光學常數[16,17]Fig.1.(a) Four terminal structure and (b) two terminal structure[10] of the perovskite / silicon tandem solar cells; optical constants of (c) perovskite and (d) c-Si absorbers[16,17].

鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池光學模擬工作主要從材料的光學常數出發, 對整體器件進行模擬, 分析器件中每層材料的光學損耗, 進而對實驗提出針對性改進, 提升器件整體的光學性能.日本岐阜大學Fujiwara 等[18]在2014 年采用光學導納法對CuIn1–xGaxSe2太陽電池進行了光損失分析, 并取得了理想的結果.此后幾年, 他們又將這種方法推廣到鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的光學模擬優化中, 并在以平面或絨面硅做底電池的疊層電池中取得了很好的優化結果[19,20].瑞士Altazin 等[21]也在2018 年對底電池的襯底陷光結構進行了分析, 并且取得了19.6 mA/cm2的最大短路電流密度.底電池的優化使疊層電池對長波段光的吸收明顯改進, 但同時鈣鈦礦頂電池由于近年來發展迅速, 具有更大的光學優化潛力.2018 年, 德國亥姆霍茲研究所針對頂電池鈣鈦礦層的厚度進行了優化, 進一步提升了器件的性能[22].2019 年, 澳大利亞國立大學對鈣鈦礦/硅異質結疊層電池進行了外量子效率(external quantum efficiency, EQE)模擬, 并對鈣鈦礦層的厚度和帶隙都進行了優化[23].但是由于疊層電池頂、底電池串聯, 整體電流取決于較小的一方.除了對頂、底電池分別優化外, 還應綜合考慮, 保持頂、底電池的電流匹配.另外, 近年來的光學模擬工作在器件的寄生吸收和反射損失兩方面還有很大的提升空間.

本文一方面從軟件模擬和自建模型模擬分析了現有的光學模擬的方法.另一方面, 從減反層的選擇、襯底陷光結構的優化、寄生吸收優化以及對非吸收層材料的優化等方向對鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的光學優化工作做了相關的介紹.最后對未來鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的光學優化進行了展望.

2 光學模擬的方法

針對疊層電池光學模擬的方法有很多種, 但基本上都要對器件進行光學建模.不同的方法, 建模的方式也不同, 從而分析的結果和精度都有所差別.因而根據實際情況選擇合適的方法非常重要.這些模擬方法總體上可以分為使用商用軟件模擬和自建模型模擬.

2.1 商用軟件模擬

因為商用軟件簡單快捷, 大多數針對疊層電池的模擬都是通過軟件來進行的.常見的軟件模擬包有TCAD[24,25], FDTD[26], AFORS-HET[27], GenPro4[28,29], OPTOS[30], JCMsuite[22]等.這些軟件是通過寫好的程序包結合已經建立的電池光學模型,對電池器件或太陽光譜在不同的角度進行仿真并優化.圖2(a)和圖2(b)分別是基于OPTOS 和JCMsuite 軟件的光學建模過程.在表1 中對這些光學模擬軟件進行了簡單的概括.

圖2 (a) 基于OPTOS 軟件的光傳播模擬過程[31]; (b) 基于JCMsuite 的光伏建模過程[32]Fig.2.(a) Light spread process simulated by OPTOS[31];(b) the optical model built by JCMsuite[32].

對光伏器件模擬的軟件包有很多, 針對模擬內容和要求選擇合適的軟件模擬包可以輕松完成模擬工作.如果要求復雜或使用軟件難以做到, 需要考慮自建模型模擬方法.

2.2 自建模型模擬

軟件模擬的模型固定, 遇到與軟件內部模型不符合的情況時常常難以進行.而自建模型可調整性強, 能有效地指導實驗, 有些機構通過自建模型方法實現對疊層器件的模擬, 這種自建模型對疊層電池的光學優化工作一般從材料的光學常數出發, 利用材料的光學常數結合轉換矩陣等方法計算出其反射、透射曲線, 進而得出整體EQE 吸收曲線[47,48].通過EQE 曲線以及各層材料吸收曲線對器件進行光損耗分析, 進而根據分析結果調整電池中材料的厚度、帶隙等參數, 將器件的光吸收最大化.

而自建模型的重點通常在材料的光學常數擬合上.通常, 使用橢圓偏振儀測量材料光學常數最為精確, Gong 等[49]在2017 年使用這種方法精確測量了SiO2等材料的光學常數.國內, 徐繼鵬等[50]和李江等[51]同樣使用了橢圓偏振儀精確測量了透明玻璃上材料的光學常數.值得一提的是, 這種方法還能精確測量膜厚, 有利于后續模擬工作.也有些方法不需要借助儀器使得模擬過程更加簡便.早在2009 年Prange 等[52]提出了基于單粒子密度算子的線性光學常數理論.2010 年, Minkov[53]和Marquezt 等[54]利用反射光譜和透射光譜結合計算機迭代算法計算了材料的光學常數.隨著計算機技術的發展, 計算機算法在擬合光學常數的過程中使用越來越頻繁.常用的優化算法有蟻群算法(ant colony optimization)[55]、模擬退火算法(simulated annealing)[56]、遺傳算法(genetic algorithms)[57]、神經網絡算法(neural networks)[58]以及各種混合優化算法.這些尋優算法都能很好地尋找目標函數的最優解, 從而擬合出比較符合實驗材料的光學常數.2016 年, 日本Fujiwara 課題組[19,20]就將模擬退火算法結合光學導納法應用到鈣鈦礦及其他類型太陽電池的模擬上, 取得了不錯的結果, 圖3(a)—圖3(c)顯示了光學導納法的計算過程以及計算結果分析.2018 年, 德國杜伊斯堡大學又將傳輸矩陣結合遺傳算法應用到鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池的模擬工作中, 對器件的隧穿結進行光學優化設計, 獲得了0.82 mA/cm2的短路電流密度的提升[59], 圖3(d)給出了基于傳輸矩陣和遺傳算法的模擬結果分析.

表1 商用軟件模擬包及其功能Table 1.Simulation package of commercial software and its functions.

圖3 (a) 光學導納法自建模型的光線分析過程[19]; CH3NH3PbI3 為吸收層的太陽電池的(b)結構和(c)光學損耗分析[19]; (d) 鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池隧穿結優化的光損耗分析[59]Fig.3.(a) Light analysis process of optical admittance method[19]; (b) structure and (c) optical loss analysis of solar cells with CH3NH3PbI3 as absorber[19]; (d) tunnel junction optical loss analysis of perovskite / silicon tandem solar cells[59].

另外, 還有一些光學常數擬合工作使用的是光學薄膜的物理色散模型.由于薄膜的光學常數表達式為N(λ) = n(λ) + ik(λ), 其中N 是復折射率,n 是折射率, k 是消光系數, λ 是波長.這種關系不是簡單的對應, 對不同的介質材料相應的制約因素也不同.這種對應關系主要由材料的色散模型所決定.常見的色散模型有Cauchy 模型、F-B 模型、Sellmeier 模型、Tauc-Lorentz 模型等.這些色散模型對應模擬的薄膜材料的性質列于表2.

表2 光學色散模型及其適用材料Table 2.Optical dispersion model and its applicable materials.

商用軟件模擬由于器件模型固定, 模擬過程簡單高效.自建模型因為可對模型進行調試, 更接近實驗, 結果更精確.如果把自建模型和商用軟件模擬結合起來, 利用自建模型的精確性和軟件方便快捷的特點能更進一步提升模擬的效率, 這將是一條模擬方法上的新思路.

3 光學優化的進展

光學損失主要包括反射損失和寄生吸收兩方面.為此, 本文重點關注了降低電池中反射損失和寄生吸收的光學優化工作的進展.

3.1 反射損失

減少反射損失的途徑包括兩部分: 一是在器件前表面設計一層減反層增加前表面的抗反射能力進而減少逃逸出器件的光; 二是使用絨度襯底, 將進入器件的光吸收最大化.二者都能有效提高光吸收.

3.1.1 減反層

在疊層器件中, 反射損耗占光學損耗的很大一部分, 而減反層可以降低光反射, 增大光吸收.所以減反層的設計在模擬工作中極為重要.減反層(anti-reflective coating, ARC)通常使用的材料有LiF[65]和MgF2[66]材料, 或LM 箔[67]和PDMS[68]等反射層結構.

2017 年, 美國亞利桑那州立大學Manzoor 等[69]將帶有無規則金字塔的PDMS 聚合物制成的涂層,分別使用在平面的器件和具有平面前表面后表面制絨的硅電池上, 分別獲得了3.0 和1.7 mA/cm2的短路電流密度提升.并且, 將此涂層應用于平面鈣鈦礦太陽電池上, 獲得了1.9 mA/cm2的短路電流密度提升.使用PDMS 作減反層的器件結構和光學分析結果如圖4(a)和圖4(b)所示.PDMS 層由于較小的折射率, 能夠降低器件正面反射率和調整疊層電池的電流失配問題.2018 年, 德國亥姆霍茲研究所在疊層電池的正面采用了制絨的LM 箔,疊層器件效率從23.4%提升至25.5%[67], 器件結構和模擬結果分析如圖4(c)—圖4(e)所示.同年, 南開大學侯福華等[70]將PDMS 減反層應用在疊層電池上, 獲得了21.93%的效率和1.72 mA/cm2的短路電流密度提升.

不過, 由于PDMS 和LM 箔是一種聚合物, 光學性質的模擬工作復雜, 所以很多工作中減反層用的都是MgF2和LiF, 并且MgF2和LiF 的吸收較低, 工藝上能做到厚度更薄, 對于入射光的減反射效果較好.德國亥姆霍茲研究所在2019 年把LiF應用在疊層電池中, 同時對鈣鈦礦厚度進行優化,最后獲得了26%的轉換效率和1.4 mA/cm2的短路電流密度提升[71], 結果顯示在圖5(a)和圖5(b)中.同年, 德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所也使用了另一種減反射材料MgF2, 光學性能大大改善[72],其結構和模擬分析結果如圖5(c)所示.更多使用減反層的模擬工作列在表3 中.

3.1.2 襯底陷光結構

在疊層電池中, 襯底陷光結構能使入射光在太陽電池內部進行多次反射, 充分吸收光從而減少反射損失.通過制絨可以使襯底表面織構化, 形成類金字塔的陷光結構, 這樣的陷光結構對紅外光子的吸收增加, 產生更多的光生載流子, 器件整體的電流和效率也隨之提高.因此對襯底陷光結構的優化也非常重要, 有效的陷光結構設計能大幅度提升器件性能.

圖4 (a) PDMS 作減反層的電池結構[69]; (b) 有、無PDMS 減反層的器件EQE 對比[69]; (c) LM 箔作減反層的電池結構[67];(d), (e) LM 箔作減反層的優化結果[67]Fig.4.(a) Solar cell structure using PDMS as anti-reflection coating[69]; (b) EQE comparison with and without PDMS[69]; (c) solar cell structure using LM foil as anti-reflection coating[67]; (d) (e) optimized result using LM foil as anti-reflection coating[67].

表3 使用減反層減少器件反射損耗Table 3.Using anti-reflection coating to reduce reflection loss of device.

圖5 (a) 使用LiF 作減反層的電池結構[71]; (b) LiF 作減反層的電池優化結果[71]; (c) 使用MgF2 作減反層的電池結構和優化結果[72]Fig.5.(a) Solar cell structure with LiF as anti-reflection coating[71]; (b) optimized result with LiF as anti-reflection coating[71];(c) solar cell structure and optimization result with MgF2 as anti-reflection coating[72].

圖6 (a) 具有平面硅底電池的疊層電池、背面制絨但正面平坦的結構以及增加了中間層的疊層電池結構、具有雙面制絨的硅底電池和掩埋層的疊層電池以及增加了減反層的疊層電池、頂和底電池均是雙面制絨的疊層器件[75]; (b) 平面的硅、單面制絨的硅以及雙面制絨的硅作為底電池的鈣鈦礦/硅異質結疊層器件結構[76]; (c) 具有單面制絨、雙面制絨的器件的光損耗對比圖[23]Fig.6.(a) Perovskite/silicon tandem solar cell structure with flat silicon, single-side textured silicon with/without interface layer,tandem solar cell with double-side textured silicon and burial layer, solar cell with anti-reflection layer and double-sided textured structure[75]; (b) perovskite/silicon tandem solar cell structure with flat silicon、one-side textured silicon and double-side textured silicon as bottom cell[76]; (c) comparison of optical loss of devices with one-side texture, double-side texture devices[23].

沒有襯底陷光結構的電池器件, 即平面硅表面上沉積鈣鈦礦頂電池的疊層器件的反射損失很嚴重.2016 年, 荷蘭代爾夫特理工大學Santbergen等[75]模擬了6 種類型的襯底陷光結構對疊層器件的影響.這6 種陷光結構如圖6(a)所示, 分別是具有平面硅底電池的疊層電池、背面制絨但正面平坦的結構以及增加了中間層的疊層電池結構、具有雙面制絨的硅底電池和掩埋層的疊層電池以及增加了減反層的疊層電池、頂和底電池均是雙面制絨的疊層器件.發現沒有陷光結構的器件反射損失最高, 頂和底電池均是雙面制絨結構的疊層器件光學性能最好, 并獲得了20.25 mA/cm2的短路電流密度.2018 年, 德國亥姆霍茲研究所Mazzarella 等[76]也分別對圖6(b)中平面的硅、單面制絨的硅以及雙面制絨的硅作為底電池的鈣鈦礦/硅異質結疊層太陽電池進行模擬, 得出雙面制絨的硅作為底電池的疊層器件光學性能最優, 并獲得20.9 mA/cm2的短路電流密度.2019 年, 澳大利亞國立大學Jacobs等[23]分別在具有單面制絨和雙面制絨的硅底電池上沉積鈣鈦礦頂電池, 結果顯示具有雙面制絨結構的器件反射損失最低, 如圖6(c)所示.

圖7 (a) 具有六角形正弦納米結構的基底原子力顯微圖(AFM)[22]; (b)生長在這種基底上的鈣鈦礦的原子力顯微圖(AFM)[22];(c)平面鈣鈦礦的原子力顯微圖(AFM)[22]; (d)未使用陷光結構的電池EQE 圖[22]; (e)使用陷光結構后的電池EQE 圖[22]; (f)和(g)蛾眼紋理鈣鈦礦的結構圖[77]; (h)使用蛾眼紋理鈣鈦礦的疊層器件EQE 圖[77]Fig.7.(a) Atom force microscopy (AFM) of substrate with hexagonal sinusoidal nanostructure[22]; (b) AFM image of perovskite growing on this substrate[22]; (c) AFM image of flat perovskite[22]; (d) EQE curve of solar cell without dimple structure[22]; (e) EQE curve of solar cell with dimple structure[22]; (f) and (g) structure image of perovskite with moth eye texture[77]; (h) EQE curve of device with moth eye textured perovskite[77].

除了單面制絨和雙面制絨的結構, 陷光結構的工作還可以考慮在其他方向上做出改變.2018 年,德國亥姆霍茲研究所將鈣鈦礦層生長在具有六角形正弦納米結構的基底上, 這種陷光結構的使用與生長在平面基底上的鈣鈦礦相比, 光損耗大大降低的同時光吸收顯著增加[22], 這個工作中的陷光結構微觀結構及其模擬結果分析如圖7(a)—圖7(e)所示.2014 年, 香港理工大學使用帶有蛾眼紋理結構的鈣鈦礦作為疊層電池頂電池, 這種蛾眼紋理的陷光結構可以實現20.7 mA/cm2的短路電流密度[77], 圖7(f)—圖7(h)顯示了這種蛾眼紋理的微觀結構及其器件模擬結果分析.2020 年, 美國亞利桑那州立大學Chen 等[78]基于帶有亞微米級金字塔的雙面制絨硅底電池(如圖8(a)和圖8(c)所示), 提出了一種新的鈣鈦礦/硅疊層太陽電池結構, 器件中所有金字塔尺寸都不超過1 μm, 圖8(b)和圖8(d)顯示這項工作獲得了高達26%的轉換效率以及高于19 mA/cm2的短路電流密度.光反射和寄生吸收的減小說明陷光結構對增加光路和光在器件內部的反射起著顯著的作用.

3.2 寄生吸收

通常, 太陽電池中非活性層的吸收稱為寄生吸收, 這些吸收對太陽電池中的短路電流密度沒有貢獻, 所以對寄生吸收的改善在光學優化中很重要.在非吸收層中, 造成寄生吸收的主要原因是透明導電層對光的吸收.透明導電層主要有石墨烯、銀納米線電極、MoOx作為緩沖層的薄金屬層、摻鋅的氧化銦 (indium zinc oxide, IZO)或者ITO 等.每種材料都有其優缺點, 例如: 銀納米線網狀電極穩定性不好并且制造技術復雜, 氧化石墨烯透明度高但是電阻很高, ITO 導電率低但可適當增加厚度來增加導電性.透明導電薄膜(transparent conductive oxide, TCO)的另一個缺點是其濺射制備工藝會損壞其他層, 所以需要引入緩沖層(MoOx, ZnO和SnO2等)保護薄膜不被破壞.

圖8 (a)帶有亞微米級金字塔制絨的鈣鈦礦/硅疊層太陽電池結構[78]; (b)疊層器件I-V 測試結果[78]; (c)與其他陷光結構的對比[78];(d)使用四種陷光結構的疊層器件的反射損耗模擬結果對比圖[78]Fig.8.(a) Structure of perovskite/silicon tandem solar cell with submicron pyramids textured structure[78]; (b) I-V results of devices[78]; (c) comparison with the other light trapping structures[78]; (d) comparison of reflection loss of the device using four kinds of structure[78].

2015 年, 盧布爾雅那大學電氣工程學院聯合洛桑聯邦理工(EPFL)學院Filipic 等[12]對鈣鈦礦/硅疊層電池的透明導電層和Spiro-OMeTAD 進行光學優化, 大大改善了器件的光吸收.中國科學院Wang 等[79]2016 年提出開槽和棱鏡SiO2結構并且使用光學性質更好的ITO 減少了鈣鈦礦電池的寄生吸收, 將器件短路電流密度提升到23.92 mA/cm2,這種結構及其吸收顯示在圖9(a)和圖9(b)中.2017 年, 德國亥姆霍茲研究所Jager 等[73]又對鈣鈦礦/硅疊層電池的電子傳輸層(electron transport layer, ETL)以及ITO 層進行優化設計, 并且采用倒置結構, 將器件的短路電流密度提升了2.8 mA/cm2,其優化結果如圖9(c)和圖9(d).在光學角度上對器件寄生吸收進行優化的模擬已經很成熟, 但是減少寄生吸收的設計還需要結合電學性能考慮, 不然光學性能提升的同時會造成電學上的損失從而造成器件整體性能的下降.2019 年, Kohnen 等[71]的工作表明: 僅從光學角度對ITO 進行優化與光學和電學結合的優化結果比較, 雖然短路電流密度略有提升, 但是轉換效率卻下降了, 如圖9(e)和圖9(f)所示.

分析器件的光損耗, 能直接看出所有材料的寄生吸收, 從而針對性發對寄生吸收大的材料進行厚度、材料、帶隙等方面的優化.不同結構的器件引起主要寄生吸收的材料不同, 優化方式也隨之改變.寄生吸收的優化對疊層器件光學優化有著十分重要的影響.

圖9 (a)開槽和(b)棱鏡SiO2 結構減少鈣鈦礦太陽電池寄生吸收[79]; 疊層電池優化寄生吸收(c)前和(d)后的器件EQE 對比圖[73];(e) 光學和電學綜合考慮對ITO 寄生吸收優化[71]; (f) 僅從光學角度優化ITO 的寄生吸收[71]Fig.9.(a) Slotted and (b) prismatic structure of SiO2 to reduce parasitic absorption of perovskite solar cells[79]; EQE comparison of tandem solar cells (c) before and (d) after optimizing for parasitic absorption[73]; (e) optimization for parasitic absorption of ITO with both optical and electrical considerations[71]; (f) optimization for parasitic absorption of ITO only considerate optical aspect[71].

4 總結和展望

鈣鈦礦/硅疊層太陽電池可以突破Shockley-Quiesser (S-Q)單結電池效率極限, 具有非常大的潛力.有關其材料設計優化、光學損耗的分析等工作都在不斷完善, 光學模擬仿真也在這些工作中起著至關重要的作用.本文著重從光學優化的方法和優化內容等方面對光學模擬優化近期的研究進展做出了概述.由于光學損耗主要是器件的反射損失和寄生吸收引起的, 本文重點講述了在減反射和襯底陷光結構方面的優化和發展, 并且對減少非吸收層寄生吸收的工作進行了概述.通過對光學優化工作的研究, 可以促進更高效率器件的制備.

盡管疊層電池光學模擬優化的工作已經取得很大進展, 但是還存在著一些問題.未來的光學模擬優化應該從以下幾個方面考慮: 1)模擬工作應該與實驗有著密切聯系, 讓模擬結果不是只能給出簡單的實驗設計方向, 要能分析出實驗中存在的問題并且對實驗內容給出明確的指導方向; 2)無論是使用商用軟件模擬還是自建模型模擬, 模擬的精確度一定要高, 這樣才能更接近實際實驗內容.可以選擇優化算法或結合機器測試使模擬的數據盡可能精確; 3)在疊層器件中, 反射損失和寄生吸收是主要的光學損失, 要盡可能地降低這兩種光學損失必須要設計合理的疊層器件結構, 如設計合理的絨度襯底以降低反射損失, 選擇寄生吸收較小的光學薄膜作為透明導電層, 盡可能地將電子傳輸層或空穴傳輸層的厚度降低以減小寄生吸收; 4)由于疊層電池的短路電流取決于最小的那個子電池, 所以頂、底電池的電流匹配也非常重要.所以不能單獨取子電池最優模擬結果, 將頂底電池模擬結果結合起來, 選擇一個最優模擬策略.