纳米尺度背面界面架构通过光管理实现超薄双面ACIGS太阳能电池36.2 mA cm-2光电流

《Laser & Photonics Reviews》：Nanoscale Rear-Interface Architecture Enables 36.2 mA cm?2 Photocurrent in Ultrathin and Bifacial ACIGS Solar Cells Through Light Management

　　

在薄膜光伏技术中，减薄吸收层厚度直接影响低原材料消耗和高制造吞吐量。然而，由于光吸收不完全，这会导致光学性能下降。在(Ag,Cu)(In,Ga)Se2 (ACIGS)基技术中，这一局限性表现为标准器件与超薄器件之间的光生电流密度差距，阻碍了其竞争力和可扩展性。本研究表明，通过在背面接触处实施可扩展的光管理结构，可以消除超薄ACIGS太阳能电池与标准器件之间的光学性能差距。该进展的核心是一种纳米级结构的SiOx周期性阵列，通过光学模拟在透明背面接触上进行设计，以促进光散射并增加吸收层内部的光程长度，并通过合适的纳米压印光刻工艺进行开发。该策略使500–600 nm ACIGS太阳能电池达到36.2 mA cm-2的短路电流密度，超过了Shockley–Queisser极限的80%，这在如此超薄的器件中此前未见报道。所提出的架构在双面配置中提供了增益。通过这种方式，克服了超薄太阳能电池的基本性能限制，从而实现了材料高效和集成化的光伏应用。

论文解读：基于纳米压印SiO_x柱阵列的超薄双面ACIGS太阳能电池光管理研究

一、研究背景与科学问题

铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se₂, CIGS)基薄膜太阳能电池是最具前景的薄膜技术之一，已实现23.6%的光电转换效率记录。然而，其大规模推广应用依赖于成本效益的提升和应用领域的拓展。相较于硅晶圆太阳能电池，CIGS技术天然适用于轻量化、柔性和双面应用场景。进一步将吸收层厚度减薄至亚微米（特别是小于700 nm）的超薄(ultrathin)区域，能够提高生产通量并减少稀缺关键原材料的用量。但CIGS厚度减薄带来了关键挑战：由于光吸收不完全导致光生电流密度显著降低。标准厚度（约2 μm）器件与超薄（0.49–0.75 μm）器件之间存在巨大的效率差距（23.6%对比15.2%–16.2%）。因此，需要通过创新的光管理(light management)策略来增加吸收层内的光程长度，以弥补因材料体积减小造成的光吸收不足。本研究旨在解决这一核心问题，即如何通过可规模化、低成本的后端光管理结构，缩小超薄ACIGS太阳能电池与标准厚度器件之间的光电流密度差距。

二、研究方法与技术路线

研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，利用Ansys|Lumerical软件中的三维时域有限差分法(three-dimensional finite-difference time-domain, FDTD)进行光学模拟，优化介电纳米柱阵列的几何参数（直径、高度、间距）。其次，通过电子束光刻(electron-beam lithography, EBL)制备母版印章(master stamp)，并结合等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)扩大支柱直径。随后，采用工业兼容的纳米压印光刻(nanoimprint lithography, NIL)技术，将优化的SiO_x柱阵列图案复制到涂有氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)的钠钙玻璃(soda-lime glass, SLG)基底上。最后，通过三步共蒸发工艺在图案化基底上生长(Ag,Cu)(In,Ga)Se₂ (ACIGS)吸收层，并完成缓冲层（CdS）、窗口层（i-ZnO/AZO）等后续器件的制备流程。

三、主要研究结果

2.1 光学模拟

通过FDTD模拟对周期性SiO_x方柱阵列的直径(D)、高度(H)和间距(A)进行参数扫描。结果表明，最优参数区域对应H为250–275 nm、D为350–500 nm、A为110–200 nm，此时正面和背面照明下的短路电流密度增益(ΔJ_SC)均超过2.5 mA cm^-2。综合考虑双面光照条件（假设背面贡献占AM1.5G光谱功率的20%），确定最优尺寸为D=350 nm、A=130 nm、H=275 nm。高精度模拟显示，引入最优柱阵列后，波长大于600 nm区域的CIGS吸收率显著提升，正面和背面照明的J_SC增益分别达到3.7和3.5 mA cm^-2。吸收谱中出现位于1066、886和753 nm的尖锐共振峰，表明周期性阵列产生的衍射效应有效耦合了吸收层中的波导模式。

2.2 实验实施

通过EBL和PECVD成功制备了符合模拟最优参数的母版印章（D≈447 nm）。NIL工艺在ITO/SLG基底上成功复制了不同高度（50、100、150、200、275 nm）的SiO_x柱阵列。测量结果显示，随着柱高增加，基底的相对漫反射率和透射率均显著提高。P275样品的最大漫反射率超过15%，透射率超过30%。实验观察到的尖锐共振峰位置与模拟的低阶衍射（(1,0)、(0,1)、(1,1)级）功率传输峰位吻合良好，证实了光学增益源于周期性排列引起的衍射效应。

2.3 太阳能电池光电性能

将不同柱高的基底集成到吸收层厚度为500–610 nm的超薄ACIGS太阳能电池中。研究发现：

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  50 nm柱高的器件(S1-P50)相比平面参考器件，开路电压(V_OC)提升27 mV，填充因子(FF)和转换效率(η)均有所改善，平均效率从11.7%提升至13.2%。绝对光致发光(photoluminescence, PL)测量显示其准费米能级分裂(quasi-Fermi level splitting, QFLS)亏损最低（273.5 meV），表明SiO_x起到了良好的界面钝化作用。
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  随着柱高增加至275 nm，器件的短路电流密度(J_SC)大幅提升。S1-P275的J_SC达到34.9 mA cm^-2，S3-P275（吸收层更厚约100 nm）更是达到了创纪录的36.2 mA cm^-2，超过了Shockley-Queisser (SQ)极限的80%。外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)测试显示，275 nm柱高器件在近红外(NIR)区域表现出宽带增强，且其EQE曲线与模拟的2 μm厚标准吸收层的吸收率曲线基本重合，表明成功消除了超薄器件在红外波段的光吸收不足问题。
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  然而，柱高超过100 nm后，器件的电学性能出现退化：饱和电流密度(J₀)增大，串联电阻(R_s)升高（从1.88 Ω cm²增至3.65 Ω cm²），V_OC和FF下降。扫描电子显微镜(SEM)截面图显示，高柱导致前层（ACIGS、CdS、i-ZnO/AZO）表面粗糙度增加，尤其在i-ZnO/AZO窗口层出现不连续覆盖和空隙，这是R_s增大的主要原因。同时，更大的界面面积增加了非辐射复合速率。
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  进一步的反射率和透射率测量及更新的模拟模型表明，除了光散射效应外，高柱引起的前表面织构化还引入了抗反射(anti-reflective, AR)效应，估计可带来约1.7 mA cm^-2的J_SC增益。

四、讨论与结论

本研究证明了在超薄双面ACIGS太阳能电池背面集成周期性SiO_x纳米柱阵列作为光管理策略的有效性。通过FDTD模拟优化和NIL工艺制备，实现了显著的性能突破。尽管高柱（如275 nm）会因形貌诱导的电学损失（高R_s、高复合）而牺牲部分V_OC和FF，但其带来的巨大光学增益使得超薄器件的J_SC首次突破了SQ极限的80%（达到36.2 mA cm^-2），与标准厚度（2 μm）器件的水平相当。研究指出，若能将50 nm柱的钝化优势与275 nm柱的光学增益相结合，有望实现16.5%的转换效率。该工作发表于《Laser & Photonics Reviews》。

结论部分翻译：本研究研究了在超薄双面ACIGS器件上集成周期性SiO_x柱阵列作为光管理策略以改善光学性能。研究人员制备了多种带有周期性SiO_x柱阵列的基底，其阵列参数通过FDTD模拟进行了优化，柱高从50 nm变化到275 nm，基底为ITO基底，采用了基于NIL（一种工业兼容技术）的方法。周期性柱阵列显著提高了背面接触的漫反射率和透射率。柱高为50 nm的太阳能电池相比平面参考器件，表现出27 mV的V_OC增强，以及更低的J₀和R_S，更高的R_sh和FF，表明集成了SiO_x方案的器件复合减少，这与先前证明SiO_x是良好界面钝化材料的结果一致。这些改进使得平均转换效率从11.7%提高到13.2%，尽管其J_SC增益是本工作中最小的。更高的柱导致了器件电学性能的损失，与50 nm柱器件相比，J₀、R_s和V_{OC-loss to SQ}增加，R_sh和FF降低。SEM检查发现，虽然ACIGS和CdS层被证明能够覆盖柱的边缘，但正面透明导电氧化物(TCO)窗口层溅射工艺的方向性导致了深裂缝和陡峭边缘，TCO非常薄甚至缺失。因此，在CdS/窗口层界面形成了空隙空间，并在AZO层内产生了间隙，增加了太阳能电池的R_S。这些限制可以通过例如采用更保形的替代方法沉积TCO来克服。此外，由于结构化导致的更大界面面积可能增加p-n结处的非辐射复合。尽管如此，更高的柱增加了J_SC，实现了显著的光学增益。在正面和背面照明下，集成275 nm高柱分别测量到平均J_SC增强7.8和7.6 mA cm^-2。在红外区域观察到高光学增益，而在超薄器件中，此处原本是不完全光吸收占主导的特征。这些光学改进归因于光程长度的增强以及与吸收层内波导模式的耦合。通过器件总反射率的降低以及基于实验织构化的更新模拟模型的支持，在紫外-可见光区域还实现了来自前层织构化的抗反射效应和前向散射的额外光学增益。最终，采用本文提出的光管理方案开发的超薄双面ACIGS器件，其光学性能与模拟的标准2 μm厚吸收层器件相匹配。本研究展示了所提出的光管理方案在缩小超薄与标准厚度CIGS器件性能差距方面的潜力，并结合了双面架构的高能量产出。事实上，将50 nm柱的电学优势与275 nm柱的J_SC增强相结合，可实现16.5%的功率转换效率值。尽管如此，本文开发的柱方案使ACIGS太阳能电池的吸收层厚度小于750 nm，首次超过了SQ极限J_SC值的80%，在610 nm吸收层条件下达到了36.2 mA cm^-2。