Broadband light harvesting enhancement with front double and bac...

Broadband light harvesting enhancement with front double and back metallic gratings in thin film solar cells 本文提出的是一种基于硅(Si)的薄膜太阳能电池，这种电池通过在前表面设置双重介质光栅以及在后表面设置三角形金属光栅来增强在宽带波长范围和大角度入射下的光捕获能力。本文研究了介质光栅的衍射效应和金属后栅诱导的表面等离子体极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)对总体光学吸收的促进作用。通过优化结构，研究人员在300至800纳米的光谱范围内实现了93.7%的TM偏振入射光吸收率和91.4%的平均捕获率（在TE和TM混合模式下），实现了大约20%的增强效果。此外，短路光电流密度达到22.4mA/cm²，增加了10%。 关键词包括光栅效应、表面等离子体极化激元和光捕获。 引言部分强调了太阳能由于自然资源的短缺，对人类变得越来越重要，而太阳能电池是利用太阳能最具有潜力的光伏设备。目前，以硅为基础的活性层材料在太阳能电池工业生产中仍然占据主导地位，因为硅资源丰富且易于获取。然而，高昂的成本和较低的光电转换效率限制了其普及。研究发现，通过减少硅活性层的厚度来降低材料使用量，能够有效降低成本，同时提高光载流子的收集效率。但是，太薄的活性层也会降低光吸收能力。 文章利用了双层前介质光栅的衍射效应以及由后金属光栅诱导的表面等离子体极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)来提高总体光学吸收。通过优化结构设计，该研究实现了在300至800nm光谱范围内的宽带光捕获增强。这种光捕获的增强有助于提高薄膜太阳能电池的光电转换效率，进而增加短路电流密度，从而显著提升电池性能。 这项研究对薄膜太阳能电池技术的发展具有重要意义。通过增强光捕获能力，可以提升太阳能电池的性能，降低成本，促进太阳能电池产业的可持续发展。光栅技术和等离子体表面效应的综合应用，为提高太阳能电池效率提供了一种新的技术途径。 文章中还提到，从早期研究中发现，通过降低硅活性层的厚度，可以有效减少材料的使用量，这不仅可以降低成本，还能提高光载流子的收集效率。但是，活性层太薄会导致光吸收能力下降，因此文章的研究正是针对如何在降低厚度的同时提高光吸收效率。 此外，文章的关键词还涉及了光栅效应。光栅是一种周期性结构，它能够通过衍射原理改变入射光的传播方向和强度分布。在太阳能电池中，特定设计的光栅结构可以增强光的捕获，通过改变入射光路径，减少光的反射，增加光在活性层中的传播长度，从而提高对光能的吸收。 表面等离子体极化激元(SPPs)是另一种在薄膜太阳能电池中重要的光学现象，它们是电磁波与自由电子相互作用产生的表面波，可以在金属与介质的界面上传播。在后金属光栅中，通过特定的光栅结构，可以有效地激发SPPs，这些表面等离子体波可以将光能量局限在微小的区域中，提高了光在活性层中的吸收，因此在改善薄膜太阳能电池的光吸收方面具有重要意义。 文章还提到了在300至800nm光谱范围内进行光捕获增强的实验结果，这显示了薄膜太阳能电池在宽带波长范围内应用的潜力。优化后的结构不仅增强了光吸收率，还提高了短路电流密度，这一指标直接关系到太阳能电池的光电转换效率。因此，这项研究对于推动薄膜太阳能电池技术的发展具有重要的理论和实际意义。