基于凹面光捕获结构的双层钙钛矿太阳能电池协同增效机制研究

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)存在的光反射损失和窄谱响应瓶颈，研究人员创新性地将凹面光捕获纳米结构与双层钙钛矿(MAPbI3/MASnPbI3)能级设计相结合。通过FDTD模拟证实，该结构使AM1.5下平均光吸收率提升6.24%，光电转换效率(PCE)从16.77%提升至24.96%，为高性能PSCs的可控制备提供了新范式。

　　

在全球能源转型背景下，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的光电性能和低成本加工优势成为研究热点。尽管单结PSCs效率已达25.7%，但面临"效率-成本-稳定性"不可能三角的挑战：传统抗反射涂层材料要求苛刻，微纳结构加工复杂；MAPbI₃的1.55 eV带隙难以覆盖近红外光谱；而叠层设计又受制于真空工艺的高成本。更棘手的是，界面反射损失和载流子复合导致实际性能与理论值存在显著差距。

成都大学的研究团队另辟蹊径，提出"光学管理+能级工程"双轨策略。通过构建凹面光捕获结构，将垂直入射光转化为多角度散射光，延长光程提升吸收率；同时设计MAPbI₃(1.55 eV)/MASnPbI₃(1.17 eV)双层钙钛矿异质结，拓展光谱响应范围。研究采用二维时域有限差分法(FDTD)模拟光捕获性能，结合有限元法(FEM)分析载流子动力学，系统评估了三种微纳结构的光电转化效能。

关键技术包括：1) 半椭圆形凹面结构的参数化建模与优化；2) FDTD计算不同入射角下的光场分布；3) 双层钙钛矿能级匹配的量子效率分析；4) 基于实际太阳光谱AM1.5的J-V特性曲线模拟。

光捕获结构性能对比

通过对比平面、光栅和凹面结构的吸收谱发现：凹面结构在380-800nm波段实现93.2%的平均吸收率，较平面结构提升6.24%。其独特的几何形貌使反射率降至4.8%，同时将载流子产生率峰值提升至2.7×10²² cm^-3s^-1，对应PCE从16.77%跃升至18.77%。

双层钙钛矿协同机制

引入MASnPbI₃底层后，器件在近红外区域(800-1100nm)产生显著吸收带。能级梯度设计促使激子高效解离，使J_sc从23.11增至26.84 mA cm^-2，Voc保持1.12V，最终PCE达24.96%。斜入射测试表明，60°入射时仍能维持91%的直射光吸收率。

结论与展望

该研究通过"形貌调控+材料设计"的双重创新，突破了单结PSCs的S-Q极限。凹面结构解决了传统纳米加工的成本瓶颈，而Sn/Pb共混钙钛矿拓展了光谱响应边界。特别值得注意的是，这种方案与溶液加工工艺兼容，为产业化提供了可能。未来可通过优化凹面结构深宽比、探索更宽光谱响应的钙钛矿组合，进一步逼近叠层电池的理论效率极限。论文发表于《Applied Materials Today》，为发展高效、稳定、低成本的第三代光伏技术提供了新思路。