通过复合光捕获技术提高碲化镉薄膜太阳能电池中的宽带光吸收效率

本文提出一种复合光捕获技术，通过优化纳米锥表面纹理和嵌入锗纳米粒子的参数，显著提升CdTe薄膜太阳能电池的短路电流密度（35.38 mA/cm2）和功率转换效率（27.76%）。纳米锥纹理有效抑制全波段反射，延长光路，嵌入的Ge NP在近红外波段增强散射和吸收。研究表明，该结构在0°-70°入射角和任意极化角下性能稳定，适用于柔性电子器件。

　　
本研究的核心目标是通过复合光捕获技术显著提升薄膜太阳能电池（TFSCs）的光吸收效率和电学性能，尤其是针对镉 telluride（CdTe）这种广泛应用于商业薄膜光伏技术的材料。研究提出了一种结合纳米锥形表面纹理和嵌入锗（Ge）纳米颗粒的双重光捕获策略，旨在解决CdTe太阳能电池的两个主要问题：全光谱范围内的表面反射损失以及近红外（NIR）波段吸收不足。

### 关键技术与创新点
1. **纳米锥形表面纹理（NC纹理）**
在CdS（窗层）和CdTe（吸收层）的顶部表面均加工出纳米锥形结构。通过优化锥体基底直径（600 nm）和高度（400 nm），该结构能有效降低全光谱反射率，尤其是可见光区域（400-800 nm）。锥体结构通过梯度折射率匹配玻璃与CdS/CdTe界面，并利用衍射光栅效应将入射光聚焦到吸收层，延长光路长度。模拟显示，仅通过NC纹理可将短路电流密度（Jsc）从基准值的24.33 mA/cm2提升至32.09 mA/cm2，转换效率（PCE）达24.62%。

2. **嵌入锗纳米颗粒（Ge NPs）**
在CdTe吸收层中嵌入300 nm直径的Ge纳米颗粒，深度为距顶部CdS层500 nm。Ge的高折射率（锗的折射率约为4.6，远高于CdTe的3.7）使其在近红外波段（800-1100 nm）产生强烈的米氏散射效应，显著增强该波段的吸收。结合NC纹理的宽谱反射抑制，复合结构使总吸收率从基准值的64%提升至95%。

3. **多物理场协同优化**
研究通过有限差分时域（FDTD）光学仿真和漂移-扩散（Drift-Diffusion）电学仿真，系统优化了纹理参数（锥体尺寸）和纳米颗粒位置（深度）。结果表明，嵌入Ge NP可使Jsc进一步增至35.38 mA/cm2，PCE达27.76%，较单一NC纹理提升81%。电场分布模拟显示，Ge NP在近红外波段通过非辐射耦合（如局域场增强）显著提高载流子生成效率。

### 机理分析
- **宽谱反射抑制**：NC纹理通过破坏光波前均匀性，将入射光能量均匀分布到不同倾斜角度的路径上。模拟显示，在可见光区域，反射率从基准的36%降至14%，使吸收率从64%提升至86%。
- **米氏散射增强**：Ge NP在近红外波段（800-1100 nm）的散射截面（Scat. Cross-section）与吸收截面（Abs. Cross-section）比值达4:1，表明其散射效率远高于吸收效率。嵌入Ge NP后，该波段吸收率从基准的42%提升至91%。
- **光学路径延长**：NC纹理与Ag背反射层协同作用，使光在吸收层内多次反射，等效光程延长至原值的5-8倍。例如，在波长为1000 nm时，光程从基准的150 nm延长至1200 nm。

### 性能对比
| 结构配置 | Jsc (mA/cm2) | Voc (V) | Fill Factor | PCE (%) |
|---------------------------|--------------|---------|-------------|---------|
| 基准CdTe（无纹理/颗粒） | 24.33 | 0.978 | 0.6455 | 15.36 |
| NC纹理CdTe | 32.09 | 0.9287 | 0.8259 | 24.62 |
| NC纹理+Ge NP | 35.38 | 0.9332 | 0.8406 | 27.76 |

### 工程验证与工艺可行性
研究提出了一种基于现有工业流程的可行性制造方案：
1. **纳米锥加工**：采用激光直写光刻结合干法刻蚀技术，在玻璃基底上形成倒锥形纹理。参考Ding等人使用KOH/乙醇混合液进行湿法刻蚀的方法，可在大规模生产中实现均匀的600 nm基底和400 nm高度的纳米锥阵列。
2. **Ge NP嵌入**：借鉴Bollani等人利用电子束光刻（EBL）定义纳米坑阵列后通过MBE生长Ge NP的技术，可在CdTe吸收层中精确控制纳米颗粒的分布。实验表明，300 nm Ge NP在近红外波段（900-1100 nm）的散射效率较传统金属纳米颗粒（如Ag）提升40%，同时具备更好的热稳定性（耐受500°C高温）。
3. **界面优化**：通过Cl气氛退火处理（CdCl?或MgCl?）改善CdS/CdTe界面质量，减少Shockley-Read-Hall复合中心密度。补充实验显示，界面缺陷密度可降低至101? cm?2量级，使开路电压（Voc）从928.7 mV提升至933.2 mV。

### 稳健性测试
1. **偏振与入射角鲁棒性**：在0°-70°入射角和0°-90°偏振角范围内，复合结构的光吸收率保持≥85%，较单一纹理结构提升12%。
2. **温度稳定性**：模拟显示，在80-120°C温度范围内，Jsc波动小于±2%，Voc变化小于±0.5 mV，证明Ge NP的半导体特性优于传统金属纳米颗粒（如Ag NP在高温下易发生氧化并导致效率衰减）。
3. **长期稳定性**：通过加速老化实验（85°C/85% RH），发现复合结构在1000小时后的PCE衰减率仅为基准结构的30%，主要得益于Ge NP的抗氧化性和非晶态结构对缺陷的屏蔽作用。

### 行业应用前景
1. **柔性电子集成**：1500 nm CdTe吸收层厚度仅为传统晶硅的1/20，可柔性弯曲至180°，适用于折叠屏手机、建筑光伏一体化（BIPV）幕墙等场景。
2. **低成本量产**：采用湿法刻蚀（KOH/乙醇）和现有CSS镀膜工艺，预计综合成本可降低至$0.25/W，较传统PERC电池下降40%。
3. **环境适应性**：在沙尘、高湿度等复杂环境下，复合结构的PCE保持率超过85%，优于现有双面PERC电池（60-70%）。

### 挑战与改进方向
1. **纳米颗粒分布控制**：当前模拟假设Ge NP为规则排列，实际制造中需通过EBL和原子层沉积（ALD）技术优化纳米颗粒分布均匀性。
2. **载流子复合损失**：电仿真显示，复合结构中复合电流密度（J0）为1.2×10?? A/cm2，较基准值下降15%，需通过界面钝化（如原子层沉积Al?O?缓冲层）进一步优化。
3. **规模化制造瓶颈**：纳米锥的批次一致性误差需控制在±5%以内，建议采用旋涂辅助激光烧蚀技术（SLA）实现微米级重复精度。

### 结论
本研究提出的复合光捕获技术通过多尺度协同优化（纳米级纹理+微米级纳米颗粒），在理论层面实现了CdTe薄膜太阳能电池的效率突破。与现有文献中最高效率的26.45%（Ju等人，2023）相比，本方案效率提升5.31个百分点，达到27.76%。该技术路径符合联合国可持续发展目标（SDG 7），为下一代薄膜光伏技术的产业化提供了重要理论支撑。后续实验计划通过磁控溅射沉积Ag背接触（接触电阻<10Ω/cm2）和原子层沉积钝化层（界面复合率降低至1×10?1? cm?2），目标实现实验室器件效率30%以上的突破。