钙钛矿_硅异质结叠层太阳电池_光学模拟的研究进展_王其

物理学报 Acta Physica Sinica ISSN 1000-3290,CN 11-1958/O4 《物理学报》网络首发论文 题目： 钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池：光学模拟的研究进展 作者： 王其，延玲玲，陈兵兵，李仁杰，王三龙，王鹏阳，黄茜，许盛之，侯国付， 陈新亮，李跃龙，丁毅，张德坤，王广才，赵颖，张晓丹 网络首发日期： 2020-11-17 引用格式： 王其，延玲玲，陈兵兵，李仁杰，王三龙，王鹏阳，黄茜，许盛之，侯国付， 陈新亮，李跃龙，丁毅，张德坤，王广才，赵颖，张晓丹．钙钛矿/硅异质结 叠层太阳电池：光学模拟的研究进展．物理学报. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20201117.1535.002.html 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出 版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出 版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编 辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、 出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容， 只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国 学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版。 钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池：光学模拟的研究进展 王 其 1)2)3)4)5) 延玲玲 1)2)3)4)5) 陈兵兵 1)2)3)4)5) 李仁杰 1)2)3)4)5) 王三龙 1)2)3)4)5) 王鹏阳 1)2)3)4)5) 黄茜 1)2)3)4)5) 许盛之 1)2)3)4)5) 侯国付 1)2)3)4)5) 陈新 亮 1)2)3)4)5) 李跃龙 1)2)3)4)5) 丁毅 1)2)3)4)5) 张德坤 1)2)3)4)5) 王广才 1)2)3)4)5) 赵 颖 1)2)3)4)5) 张晓丹 1)2)3)4)5) ‡ 1）（南开大学，光电子薄膜器件与技术研究所，太阳能转换中心，天津 300350） 2）（天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津 300350） 3）（薄膜光电子技术教育部工程研究中心，天津 300350） 4）（化学科学与工程协同创新中心，天津 300072） 5）（南开大学可再生能源转换与储存中心，天津 300072） 摘 要 近几年，钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池发展迅速，效率已经从 13.7%提升 到 29.1%。由于叠层电池器件的制作工艺复杂，而叠层太阳电池中的光学损失对 转换效率的影响很大，所以通过光学模拟进而获得高效电池至关重要。本文首先 从商业软件和自建模型两方面概述了光学模拟的方法， 接着从反射损失和寄生吸 收两方面针对光学模拟研究进展进行了总结和分析， 最后指出了叠层电池光学模 拟过程中需要注意的问题。钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的转换效率极限最高 可达 40%，具备很大的提升空间，结合模拟工作的研究，叠层电池的发展将会取 得更大的进步。 关键词：钙钛矿 /硅叠层电池，光学模拟，反射损失，寄生吸收 PACS：78.20.Bh， 78.20.Ci， 78.56.-a， 78.67.-n DOI:10.7498/aps.70.20201585 网络首发时间：2020-11-17 16:07:27 网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20201117.1535.002.html 基金: 国家重点研发计划（批准号 : 2018YFB1500103）、国家自然科学基金（批准号 : 61674084）、高等学校学科创新引智计划（ 111 计划）（批准号 : B16027）、天津市军民融 合项目 （批准号 : 18ZXJMTG00220） 和中央高校基本科研业务费 （批准号 : 63201171, 63201173) 资助的课题。 † 通信作者 . E-mail: xdzhang@nankai.edu.cn ‡ 通信作者 . E-mail: zhaoygds@nankai.edu.cn 1 引 言 采用背接触晶硅电池 (interdigitated back contact, IBC)与异质结晶硅电池 (heterojunction with intrinsic thin layer, HIT)结合工艺制备的晶硅电池效率为 26.7% [1] 。晶硅电池的理论极限效率为 29.4%，考虑到光学与电学的实际可能的 损失后，其实际的理论效率只有 27.1% [2] ，效率提升空间有限。而钙钛矿近年来 发展迅速 [3] ，具有带隙可调、工艺简单等优点，适宜做顶电池吸收层材料。模拟 结果显示，顶电池吸收层材料的适宜带隙应为 1.6— 1.9 eV [4] ，最常用的吸收材料 一般为甲胺铅碘 (CH3NH3PbI3，即 MAPbI3 [5] )或者甲脒铅碘 (HC(NH2)2PbI3，即 FAPbI3 [6] )及其相近变体。随着叠层电池的发展，发现 Cs 离子、 Rb 离子以及 Cl 离子、 Br 离子在钙钛矿吸收剂中掺杂会使得顶电池性能提升明显，如 Cs0.07Rb0.03FA0.765MA0.135Pb(I0.85Br0.15)3 [7] ， Cs0.1FA0.9PbI2.865Br0.135 [8] 作为顶电池吸收 材料的使用，显著地提升了叠层电池的性能。如果能将晶硅电池和钙钛矿电池结 合起来，效率将会有更大的提升。 叠层电池的概念最初是由 Jackson [9] 提出的，因其宽光谱吸收、高开路电压 （ VOC）、高效率和低成本等优点受到人们的 广泛关注。其转换效率的理论极限 最高达 46.1% [10] 。而钙钛矿 /硅异质结叠层电池也有着巨大的潜力。钙钛矿 /硅异 质结叠层器件常见的结构有四端和两端串联两种，如图 1(a)和图 1(b)所示 [11] 。机 械堆叠的四端结构， 两个子单元独立放置并连接， 可以独立地保持在最大功率点。 但四端结构会使所有外部电力设备（如逆变器）加倍工作。钙钛矿 /硅异质结两 端叠层太阳电池的顶、底电池直接串联减少了子电池中功能层的使用，顶、底电 池之间通过具有高效率的隧穿结连接， 如锡掺杂的氧化铟 (indium tin oxide, ITO) 等，这样能使更多的光子到达底电池。两端叠层太阳电池制备过程简单，减少了 寄生吸收，增加了太阳光的利用率，适合产业化。最新的研究报告指出，德国亥 姆霍兹研究所 (HZB)创造了钙钛矿 /硅叠层电池的最高效率，达 29.1% [12] 。通过理 论计算得出钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的转换效率超过 30%，最高可超过 40% [13-15] 。相比于单结太阳电池，超过了 Shockley-Quiesser（ S-Q）极限 [16] ，有 着非常好的发展前景。 在两端叠层太阳电池中， 钙钛矿材料充当顶电池的有效光学吸收层主要吸收 短波段范围（ 300— 800 nm）的光，晶硅（ c-Si）作为底电池的光学吸收层吸收 长波段范围（ 800— 1200 nm）的光。电流取决于子电池中的最小电流，合理分配 光谱，使顶、底电池电流匹配，达到最大输出电流，显得至关重要。光学优化能 够提高光利用率，通过实施光学管理策略来改善器件的不足，这对电池效率的提 升以及厚度的减薄都具有非常重要的意义。图 1(c)和图 1(d)分别给出了钙钛矿 （ CH3NH3PbBr3）和晶硅（ c-Si）吸收层的光学常数 [17,18] 。 钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池光学模拟工作主要从材料的光学常数出发， 对整体器件进行模拟，分析器件中每层材料的光学损耗，进而对实验提出针对性 改进，提升器件整体的光学性能。日本岐阜大学 Fujiwara 等 [19] 在 2014 年采用光 学导纳法对 CuIn1-xGaxSe2 太阳电池进行了光损失分析，并取得了理想的结果。此 后几年，他们又将这种方法推广到钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的光学模拟优 化中，并在以平面或绒面硅做底电池的叠层电池中取得了很好的优化结果 [20,21] 。 瑞士 Altazin 等 [22] 也在 2018 年对底电池的衬底陷光结构进行了分析， 并且取得了 19.6 mA/cm 2 的最大短路电流密度。底电池的优化使叠层电池对长波段光的吸收 明显改进， 但同时钙钛矿顶电池由于近年来发展迅速， 具有更大的光学优化潜力。 2018 年，德国亥姆霍兹研究所针对顶电池钙 钛矿层的厚度进行了优化，进一步 提升了器件的性能 [23] 。 2019 年，澳大利亚国立大学对钙钛矿 /硅异质结叠层电池 进行了外量子效率（ external quantum efficiency, EQE）模拟，并对钙钛矿层的厚 度和带隙都进行了优化 [24] 。但是由于叠层电池顶、底电池串联，整体电流取决 于较小的一方。除了对顶、底电池分别优化外，还应综合考虑，保持顶、底电池 的电流匹配。另外，近年来的光学模拟工作在器件的寄生吸收和反射损失两方面 还有很大的提升空间。 图 1 钙钛矿 /硅叠层太阳电池 (a)四端结构和 (b)两端结构 [11] ； (c)钙钛矿和 (d) 晶硅吸收层的光 学常数 [17,18] Fig.1. (a) Four terminal structure and (b) two terminal structure [11] of the perovskite / silicon tandem solar cells; optical constants of (c) perovskite and (d) c-Si absorbers [17,18] . 本文一方面从软件模拟和自建模型模拟分析了现有的光学模拟的方法。 另一 方面，从减反层的选择、衬底陷光结构的优化、寄生吸收优化以及对非吸收层材 料的优化等方向对钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的光学优化工作做了相关的介 绍。最后对未来钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的光学优化进行了展望。 2 光学模拟的方法 针对叠层电池光学模拟的方法有很多种，但基本上都要对器件进行光学建 模。不同的方法，建模的方式也不同，从而分析的结果和精度都有所差别。因而 根据实际情况选择合适的方法非常重要。 这些模拟方法总体上可以分为使用商用 软件模拟和自建模型模拟。 2.1 商用软件模拟 因为商用软件简单快捷，大多数针对叠层电池的模拟都是通过软件来进行 的。常见的软件模拟包有 TCAD [25,26] ， FDTD [27] ， AFORS-HET [28] ， GenPro4 [29,30] ， OPTOS [31] ， JCMsuite [23] 等。这些软件是通过写好的程序包结合已经建立的电池 光学模型，对电池器件或太阳光谱 在不同的角度进行仿真并优化。图 2(a)和图 2(b)分别是基于 OPTOS 和 JCMsuite 软件的光学建模过程。在表 1 中对这些光学 模拟软件进行了简单的概括。 对光伏器件模拟的软件包有很多， 针对模拟内容和要求选择合适的软件模拟 包可以轻松完成模拟工作。如果要求复杂或使用软件难以做到，需要考虑自建模 型模拟方法。 图 2 (a) 基于 OPTOS 软件的光传播模拟过程 [32] ； (b) 基于 JCMsuite 的光伏建模过程 [33] Fig. 2. (a) Light spread process simulated by OPTOS [32] ; (b) the optical model built by JCMsuite [33] . 表 1 商用软件模拟包及其功能 Table 1. Simulation package of commercial software and its functions. 软件名称 功能 参考文献 JCMsuite 适用于复杂纳米光学系统的仿真 [23] FDTD 使用时域有限差分算法对太阳电池模拟 [27] AFORS-HET 用于异质结构太阳电池的数值模拟软件 [28] SunCalculator 用于计算所测量的综合太阳辐照度的角度和光谱 分布 [34] Solar spectrum calculator 确定入射到器件的光谱辐照度的直接分量，散射分 量和全局分量 [35] TRACEY 用于确定模块在各种入射光谱下的效率以及相关 光学损耗 [36] OPAL 模拟太阳电池前表面（主要是减反层） [37] OPTOS 基于矩阵的仿真算法，能有效地计算任何表面陷光 结构的反射率和透射率 [38,39] PC3D 用于硅太阳电池的开源三维器件模拟器 [40,41] SETFOS 计算短路电流密度（ J sc ），开路电压（ V oc ）和填充 因子（ FF），添加光散射层以增强吸收 [22,42] SCAPS 一维太阳电池仿真，适用于晶硅、砷化镓、非晶硅 和微晶硅太阳电池 [43] WXAMPS 一维太阳电池模拟 [44-47] 2.2 自建模型模拟 软件模拟的模型固定，遇到与软件内部模型不符合的情况时常常难以进行。 而自建模型可调整性强，能有效地指导实验，有些机构通过自建模型方法实现对 叠层器件的模拟， 这种自建模型对叠层电池的光学优化工作一般从材料的光学常 数出发，利用材料的光学常数结合转换矩阵等方法计算出其反射、透射曲线，进 而得出整体 EQE 吸收曲线 [48,49] 。通 过 EQE 曲线以及各层材料吸收曲线对器件进 行光损耗分析，进而根据分析结果调整电池中材料的厚度、带隙等参数，将器件 的光吸收最大化。 而自建模型的重点通常在材料的光学常数拟合上。通常，使用椭圆偏振仪测 量材料光学常数最为精确， Gong 等 [50] 在 2017 年使用这种方法精确测量了 SiO2 等材料的光学常数。国内，徐继鹏等 [51] 和李江等 [52] 同样使用了椭圆偏振仪精确 测量了透明玻璃上材料的光学常数。 值得一提的是， 这种方法还能精确测量膜厚， 有利于后续模拟工作。也有些方法不需要借助仪器使得模拟过程更加简便。早在 2009 年 Prange 等 [53] 提出了基于单粒子密度算子的线性光学常数理论。 2010 年， Minkov [54] 和 Marquezt 等 [55] 利用反射光谱和透射光谱结合计算机迭代算法计算了 材料的光学常数。随着计算机技术的发展，计算机算法在拟合光学常数的过程中 使用越来越频繁。常用的优化算法有蚁群算法 (ant colony optimization） [56] 、模拟 退火算法 (simulated annealing) [57] 、遗传算法 (genetic algorithms) [58] 、神经网络算法 (neural networks) [59] 以及各种混合优化算法。这些寻优算法都能很好地寻找目标 函数的最优解， 从而拟合出比较符合实验材料的光学常数。 2016 年， 日本 Fujiwara 课题组 [20,21] 就将模拟退火算法结合光学导纳法 应用到钙钛矿及其他类型太阳电 池的模拟上，取得了不错的结果，图 3(a)—图 3(c)显示了光学导纳法的计算过程 以及计算结果分析。 2018 年，德国杜伊斯堡大学又将传输矩阵结合遗传算法应 用到钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池的模拟工作中，对器件的隧穿结进行光学优 化设计，获得了 0.82 mA/cm 2 的短路电流密度的提升 [60] ，图 3(d)给出了基于传输 矩阵和遗传算法的模拟结果分析。 图 3 (a) 光学导纳法自建模型的光线分析过程 [20] ； CH 3 NH 3 PbI 3 为吸收层的太阳电池的 (b) 结构和 (c)光学损耗分析 [20] ； (d) 钙钛矿 /硅异质结叠层太阳电池隧穿结优化的光损耗分析 [60] Fig. 3. (a) Light analysis process of optical admittance method [20] ; (b) structure and (c) optical loss analysis of solar cells with CH 3 NH 3 PbI 3 as absorber [20] ; (d) tunnel junction optical loss analysis of perovskite / silicon tandem solar cells [60] . 另外，还有一些光学常数拟合工作使用的是光学薄膜的物理色散模型。由于 薄膜的光学常数表达式为 N(λ)=n(λ)+ik(λ)，其中 N 是复折射率， n 是折射率， k 是消光系数， λ 是波长。这种关系不是简单的对应，对不同的介质材料相应的制 约因素也不同。这种对应关系主要由材料的色散模型所决定。常见的色散模型有 Cauchy 模型、 F-B 模型、 Sellmeier 模型、 Tauc-Lorentz 模型等。这些色散模型对 应模拟的薄膜材料的性质列于表 2。 表 2 光学色散模型及其适用材料 Table 2. Optical dispersion model and its applicable materials. 光学色散模型 材料类型 参考文献 Cauchy Model 大多数介质材料 [61] Sellmeier Model 无吸收的透明介质 [61] F-B Model 非晶半导体和绝缘体材料 [62] Lorentz Oscillstor Model 一般用于红外光谱区的介质膜 [63] Tauc-Lorentz Model 无定型半导体 (非晶半导体 )和 绝缘体材料 [64] Drude Model 金属和透明导电膜 [65] 商用软件模拟由于器件模型固定，模拟过程简单高效。自建模型因为可对模 型进行调试，更接近实验，结果更精确。如果把自建模型和商用软件模拟结合起 来，利用自建模型的精确性和软件方便快捷的特点能更进一步提升模拟的效率， 这将是一条模拟方法上的新思路。 3 光学优化的进展 光学损失主要包括反射损失和寄生吸收两方面。为此，本文重点关注了降低 电池中反射损失和寄生吸收的光学优化工作的进展。 3.1 反射损失 减少反射损失的途径包括两部分，一是在器件前表面设计一层减反层增加前 表面的抗反射能力进而减少逃逸出器件的光；二是使用绒度衬底，将进入器件的 光吸收最大化。二者都能有效提高光吸收。 3.1.1 减反层 在叠层器件中，反射损耗占光学损耗的很大一部分，而减反层可以降低光反 射， 增大光吸收。 所以减反层的设计在模拟工作中极为重要。 减反层 （ anti-reflective coating， \ARC） 通常使用的材料有 LiF [66] 和 MgF2 [67] 材料， 或 LM 箔 [68] 和 PDMS [69] 等反射层结构。 2017 年， 美国亚利桑那州立大学 Manzoor 等 [70] 将带有无规则金字塔的 PDMS 聚合物制成的涂层， 分别使用在平面的器件和具有平面前表面后表面制绒的硅电 池上，分别获得了 3.0 和 1.7 mA/cm 2 的短路电流密度提升。并且，将此涂层应用 于平面钙钛矿太阳电池上， 获得了 1.9 mA/cm 2 的短路电流密度提升。 使用 PDMS 作减反层的器件结构和光学分析结果如图 4(a)和图 4 (b)所示。 PDMS 层由于较小 的折射率，能够降低器件正面反射率和调整叠层电池的电流失配问题。 2018 年， 德国亥姆霍兹研究所在叠层电池的正面采用了制绒的 LM 箔，叠层器件效率从 23.4%提升至 25.5% [68] ，器件结构和模拟结果分析如图 4(c)—图 4 (e)所示。同年， 南开大学侯福华等 [71] 将 PDMS 减反层应用在叠层电池上，获得了 21.93%的效率 和 1.72 mA/cm 2 的短路电流密度提升。 不过，由于 PDMS 和 LM 箔是一种聚合物，光学性质的模拟工作复杂，所 以很多工作中减反层用的都是 MgF2 和 LiF，并 且 MgF2 和 LiF 的吸收较低，工艺 上能做到厚度更薄， 对于入射光的减反射效果较好。 德国亥姆霍兹研究所在 2019 年把 LiF 应用在叠层电池中，同时对钙钛矿厚度进行优化，最后获得了 26%的转 换效率和 1.4 mA/cm 2 的短路电流密度提升 [72] ，结果显示在图 5(a)和图 5 (b)中。 同年，德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所也使用了另一种减反射材料 MgF2，光 学性能大大改善 [73] ，其结构和模拟分析结果如图 5(c)所示。更多使用减反层的模 拟工作列在表 3 中。 图 4 (a) PDMS 作减反层的电池结构 [70] ； (b) 有、无 PDMS 减反层的器件 EQE 对比图 [70] ； (c) LM 箔作减反层的电池结构 [68] ； (d) (e) LM 箔作减反层的优化结果 [68] Fig. 4. (a) Solar cell structure using PDMS as anti-reflection coating [70] ; (b) EQE comparison with and without PDMS [70] ; (c) solar cell structure using LM foil as anti-reflection coating [68] ; (d) (e) optimized result using LM foil as anti-reflection coating [68] . 图 5 (a) 使用 LiF 作减反层的电池结构 [72] ； (b) LiF 作减反层的电池优化结果 [72] ； (c) 使用 MgF 2 作减反层的电池结构和优化结果 [73] Fig. 5. (a) Solar cell structure with LiF as anti-reflection coating [72] ; (b) optimized result with LiF as anti-reflection coating [72] ; (c) solar cell structure and optimization result with MgF 2 as anti-reflection coating [73] . 表 3 使用减反层减少器件反射损耗 Table 3. Using anti-reflection coating to reduce reflection loss of device. ARC Structure J sc /mA· cm 2 Improved J sc /mA·cm 2 Year Reference LiF LiF/ITO/SnO 2 /PCBM/ Perovskite /NiO/ITO/Silicon 21.3 1.6 2018 [23] LiF LiF/ITO/TiO 2 /Perovskite/Spiro/p-uc-SiOx:H/Defective layer/Silicon 16.7 1.4 2016 [66] LM foil LM/IZO/SnO 2 /C 60 / Perovskite /PTAA/ITO/nc-SiOx:H/a-Si:H/Si/a-Si:H/ZnO:Al/Ag 19.4 2.3 2018 [68] PDMS PDMS/ITO/na-Si:H/ia-Si:H/C-Si/ia-Si:H/pa-Si:H/ITO/Ag 37.5 3 2017 [70] LiF LiF/IZO/SnO 2 /C 60 / Perovskite /PTAA/ITO/nc-SiOx:H(n)/Silicon 19.2 1.4 2019 [72] LiF LiF/ITO/SnO 2 /PCBM/ Perovskite /NiO/ITO/Silicon 19.0 1.4 2017 [74] MgF 2 MgF 2 /ITO/SnO 2 /C 60 / Perovskite /NiO/ITO/Silicon 19.8 1 2018 [75] MgF 2 MgF 2 /IZO/Spiro/ Perovskite /TiO 2 /ITO/Ag 19.55 1.5 2019 [76] 3.1.2 衬底陷光结构 在叠层电池中，衬底陷光结构能使入射光在太阳电池内部进行多次反射，充 分吸收光从而减少反射损失。通过制绒可以使衬底表面织构化，形成类金字塔的 陷光结构，这样的陷光结构对红外光子的吸收增加，产生更多的光生载流子，器 件整体的电流和效率也随之提高。因此对衬底陷光结构的优化也非常重要，有效 的陷光结构设计能大幅度提升器件性能。 没有衬底陷光结构的电池器件，即平面硅表面上沉积钙钛矿顶电池的叠层器 件的反射损失很严重。 2016 年，荷兰代尔夫特理工大学 Santbergen 等 [77] 模拟了 6 种类型的衬底陷光结构对叠层器件的影响。这 6 种陷光结构如图 6(a)所示，分别 是具有平面硅底电池的叠层电池、 背面制绒但正面平坦的结构以及增加了中间层 的叠层电池结构、 具有双面制绒的硅底电池和掩埋层的叠层电池以及增加了减反 层的叠层电池、顶和底电池均是双面制绒的叠层器件。发现没有陷光结构的器件 反射损失最高，顶和底电池均是双面制绒结构的叠层器件光学性能最好，并获得 了 20.25 mA/cm 2 的短路电流密度。 2018 年，德国亥姆霍兹研究所 Mazzarella 等 [78] 也分别对图 6(b)中平面的硅、 单面制绒的硅以及双面制绒的硅作为底电池的钙 钛矿 /硅异质结叠层太阳电池进行模拟，得出双面制绒的硅作为底电池的叠层器 件光学性能最优，并获得 20.9mA/cm 2 的短路电流密度。次年，澳大利亚国立大 学 Jacobs 等 [24] 分别在具有单面制绒和双面制绒的硅底电池上沉积钙钛矿顶电池， 结果显示具有双面制绒结构的器件反射损失最低，如图 6(c)所示。 图 6 (a) 具有平面硅底电池的叠层电池、背面制绒但正面平坦的结构以及增加了中间层的叠 层电池结构、具有双面制绒的硅底电池和掩埋层的叠层电池以及增加了减反层的叠层电池、 顶和底电池均是双面制绒的叠层器件 [77] ； (b) 平面的硅、单面制绒的硅以及双面制绒的硅作 为底电池的钙钛矿 /硅异质结叠层器件结构 [78] ； (c) 具有单面制绒、双面制绒的器件的光损耗 对比图 [24] 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 [77] ; (b) perovskite / silicon tandem solar cell structure with flat silicon、 one-side textured silicon and double-side textured silicon as bottom cell [78] ; (c) comparison of optical loss of devices with one-side texture, double-side texture devices [24] . 除了单面制绒和双面制绒的结构，陷光结构的工作还可以考虑在其他方向上 做出改变。 2018 年，德国亥姆霍兹研究所将钙钛矿层生长在具有六角形正弦纳 米结构的基底上，这种陷光结构的使用与生长在平面基底上的钙钛矿相比，光损 耗大大降低的同时光吸收显著增加 [23] ，这个工作中的陷光结构微观结构及其模 拟结果分析如图 7(a)—图 7(e)所示。 2019 年，香港理工大学使用带有蛾眼纹理结 构的钙钛矿作为叠层电池顶电池，这 种蛾眼纹理的陷光结构可以实现 20.7 mA/cm 2 的短路电流密度 [79] ，图 7(f)—图 7(h)显示了这种蛾眼纹理的微观结构及 其器件模拟结果分析。 2020 年，美国亚利桑那州立大学 Chen 等 [80] 基于带有亚微 米级金字塔的双面制绒硅底电池（如图 8(a)和图 8 (c)所示），提出了一种新的钙 钛矿 /硅叠层太阳电池结构，器件中所有金字塔尺寸都不超过 1 m，图 8(b)和图 8 (d)显示这项工作获得了高达 26%的转换效率以及高于 19 mA/cm 2 的短路电流 密度。 光反射和寄生吸收的减小说明陷光结构对增加光路和光在器件内部的反射 起着显著的作用。 图 7 (a) 具有六角形正弦纳米结构的基底原子力显微图（ AFM） [23] ； (b)生长在这种基底上 的钙钛矿的原子力显微图（ AFM） [23] ； (c)平面钙钛矿的原子力显微图（ AFM） [23] ； (d)未使 用陷光结构的电池 EQE 图 [23] ； (e)使用陷光结构后的电池 EQE 图 [23] ； (f)和 (g)蛾眼纹理钙钛 矿的结构图 [79] ； (h)使用蛾眼纹理钙钛矿的叠层器件 EQE 图 [79] Fig. 7. (a) Atom force microscopy (AFM) of substrate with hexagonal sinusoidal nanostructure [23] ; (b) AFM image of perovskite growing on this substrate [23] ; (c) AFM image of flat perovskite [23] ; (d) EQE curve of solar cell without dimple structure [23] ; (e) EQE curve of solar cell with dimple structure [23] ; (f) and (g) structure image of perovskite with moth eye texture [79] ; (h) EQE curve of device with moth eye textured perovskite [79] . 图 8 (a)带有亚微米级金字塔制绒的钙钛矿 /硅叠层太阳电池结构 [80] ； (b)叠层器件 I-V 测 试结果 [80] 和 (c)与其他陷光结构的对比 [80] ； (d)使用四种陷光结构的叠层器件的反射损耗 模拟结果对比图 [80] Fig. 8. (a) Structure of perovskite / silicon tandem solar cell with submicron pyramids textured structure [80] ; (b) I-V results of devices [80] ; (c) comparison with the other light trapping structures [80] ; (d) comparison of reflection loss of the device using four kinds of structure [80] . 3.2 寄生吸收 通常，太阳电池中非活性层的吸收称为寄生吸收，这些吸收对太阳电池中的 短路电流密度没有贡献，所以对寄生吸收的改善在光学优化中很重要。在非吸收 层中，造成寄生吸收的主要原因是透明导电层对光的吸收。透明导电层主要有石 墨烯、银纳米线电极、 MoOX 作为缓冲层的薄金属层、掺锌的氧化铟 (indium zinc oxide, IZO)或者 ITO 等。每种材料都有其优缺点，比如：银纳米线网状电极稳定 性不好并且制造技术复杂，氧化石墨烯透明度高但是电阻很高， ITO 导电率低但 可适当增加厚度来增加导电性。 透明导电薄膜 （ transparent conductive oxide, TCO） 的另一个缺点是其溅射制备工艺会损坏其他层，所以需要引入缓冲层（ MoOX, ZnO 和 SnO2 等）保护薄膜不被破坏。 2015 年，卢布尔雅那大学电气工程学院联合洛桑联邦理工（ EPFL）学院 Filipic 等 [13] 对钙钛矿 /硅叠层电池的透明导电层和 Spiro-OMeTAD 进行光学优化， 大大改善了器件的光吸收。中科院 Wang 等 [81] 2016 年提出开槽和棱镜 SiO2 结构 并且使用光学性质更好的 ITO 减少了钙钛矿电池的寄生吸收，将器件短路电流 密度提升到 23.92 mA/cm 2 ，这种结构及其吸收显示在图 9(a)和图 9(b)中。 2017 年，德国亥姆霍兹研究所 Jager 等 [74] 又对钙钛矿 /硅叠层电池的电子传输层 （ electron transport layer,ETL）以及 ITO 层进行优化设计，并且采用倒置结构， 将器件的短路电流密度提升了 2.8 mA/cm 2 ，其优化结果如图 9(c)和图 9 (d)。在 光学角度上对器件寄生吸收进行优化的模拟已经很成熟， 但是减少寄生吸收的设 计还需要结合电学性能考虑， 不然光学性能提升的同时会造成电学上的损失从而 造成器件整体性能的下降。 2019 年， Kohnen 等的工作表明： 仅从光学角度对 ITO 进行优化与光学和电学结合的优化结果比较，虽然短路电流密度略有提升，但是 转换效率却下降了 [66] ，如图 9(e)和图 9 (f)。 分析器件的光损耗，能直接看出所有材料的寄生吸收，从而针对性发对寄生 吸收大的材料进行厚度、材料、带隙等方面的优化。不同结构的器件引起主要寄 生吸收的材料不同，优化方式也随之改变。寄生吸收的优化对叠层器件光学优化 有着十分重要的影响。 图 9 (a)开槽和 (b)棱镜 SiO 2 结构减少钙钛矿太阳电池寄生吸收 [81] ； 叠层电池优化寄生吸收 (c) 前和 (d)后的器件 EQE 对比图 [74] ； (e) 光学和电学综合考虑对 ITO 寄生吸收优化 [66] ； (f) 仅 从光学角度优化 ITO 的寄生吸收 [66] Fig.9. (a) Slotted and (b) prismatic structure of SiO 2 to reduce parasitic absorption of perovskite solar cells [81] ; EQE comparison of tandem solar cells (c) before and (d) afte