第一作者：叶文江、陈奥越

通讯作者：陈超

通讯单位：华中科技大学

研究背景

全钙钛矿叠层太阳能电池的功率转换效率已达到 30.1%，但显著的光学损失使其无法达到 45% 的理论最大效率。在这些损失中，反射引起的能量损失尤为严重。研究表明，对于特定结构的全钙钛矿叠层太阳能电池，光学损失约占总能量损耗的 31.15%，其中反射损失高达 19.64%。这成为限制全钙钛矿叠层太阳能电池效率的关键瓶颈。尽管已有研究通过引入光散射结构、优化层厚度和使用减反材料等方式来减少反射，但电池效率距离理论极限仍有较大差距。

文章简介

锯齿结构在太阳能电池的光管理中展现出显著优势，该结构能够有效调控光路，改变光的入射角度和传播路径，使更多光线能够被吸收层捕获，从而减少反射损耗，提升器件性能。

近期，华中科技大学单片集成光电子器件与系统团队的陈超副教授等人针对全钙钛矿叠层太阳能电池中反射损耗问题，通过仿真模拟提出了一种周期性双锯齿结构设计方案，将反射引起的光电流密度损失从4.47 mA cm^-2显著降低至3.65 mA cm^-2，全钙钛矿叠层太阳能电池的转换效率提升至约31.13%，相对增幅达3.41%。相关工作以Simulation study of reducing reflection losses in all-perovskite tandem solar cells through dual serrated structure为题于近期发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图文导读

创新点一：通过前锯齿结构减少反射损失

研究团队首先在全钙钛矿叠层太阳能电池的前界面设计了周期性的锯齿结构，用以调控入射光的路径，从而减少反射损失。通过仿真模拟，团队发现当锯齿高度（H）为400 nm时，器件性能达到最优。该前锯齿结构如同微透镜阵列，能够有效聚焦入射光，使宽带隙吸收层内的电场强度相较于平面结构提升了4倍。使得器件的反射损失电流密度从4.47 mA cm^-2降至3.77 mA cm^-2，光电流密度提升了2.56%。

然而，全钙钛矿叠层太阳能电池在长波长区域仍有较为严重的反射损耗，使得窄带隙子电池性能受限，进而限制了全钙钛矿叠层太阳能电池的光电流。因此，有必要进一步优化长波长区域的反射损耗。

图1 a 周期性前锯齿结构的示意图。b 不同前锯齿结构高度下，不同波长的反射率。c 前锯齿结构的不同高度下宽带隙和窄带隙子电池的光生电流密度。d 不同前锯齿结构高度下，宽带隙钙钛矿层中不同波长处的吸收情况。e 不同前锯齿结构高度下，窄带隙钙钛矿吸收层中不同波长处的吸收情况。f 经前锯齿结构优化后，宽带隙和窄带隙子电池的吸收情况，以及全钙钛矿叠层太阳能电池的总吸收。g 前锯齿结构高度为 400 nm 时，不同波长下的电场强度分布。（NBG: narrow-bandgap, WBG: widebandgap）

创新点二：通过背锯齿结构减少反射损失

为了减少长波长范围内的反射损耗，研究团队在背电极上设计了相同的周期性锯齿结构，改变了背锯齿结构的高度（H）。该背部结构能显著促进光子在窄带隙钙钛矿层内的循环，还在银电极与窄带隙钙钛矿层的锯齿尖端激发表面等离极化激元耦合，增强了近场效应，从而提高了窄带隙层对长波段光的吸收能力。在最优高度400 nm下，背部锯齿结构使700-1000 nm范围内的反射强度降低了约5%，并将窄带隙子电池的光电流密度提升至16.93 mA cm^-2。

虽然背锯齿结构有效提升了窄带隙子电池对近红外光的吸收效率，但单独优化背界面无法解决短波长区域的反射损失问题。因此，需结合前界面锯齿结构进行双界面协同优化，以实现全光谱范围内的反射损失抑制。

图2 a 周期性背锯齿结构的示意图。b 不同背锯齿结构高度下，不同波长的反射率。c 背锯齿结构的不同高度下宽带隙和窄带隙子电池的光生电流密度。d 不同背锯齿状结构高度下，宽带隙钙钛矿层中不同波长处的吸收情况。e 不同背锯齿状结构高度下，窄带隙钙钛矿吸收层中不同波长处的吸收情况。f 经背锯齿结构优化后，宽带隙和窄带隙子电池的吸收情况，以及全钙钛矿叠层太阳能电池的总吸收。g 背锯齿结构高度为 400 nm 时，不同波长下的电场强度分布。

创新点三：通过双锯齿结构减少反射损耗

单独优化前置或后置锯齿结构都无法使器件达到整体最优。研究团队创新性地提出了周期性双锯齿结构，并对前后锯齿的高度（H₁和H₂）进行协同优化。最终，当H₁=550 nm且H₂=400 nm时，器件性能达到最佳。前置锯齿结构有效增强了宽带隙子电池吸收范围（300-700 nm）内的光捕获与传播；背锯齿结构则通过增强光散射和陷光效应，显著提升了窄带隙子电池吸收范围（700-1000 nm）的效率。双锯齿协同作用下，器件的反射损失光电流密度从4.47 mA cm^-2降至3.65 mA cm^-2，降幅达18.34%，最终实现了16.98 mA cm^-2的匹配光电流密度，预计可将全钙钛矿叠层太阳能电池的效率提升至约31.13%。

图 3 a 周期性双锯齿结构的示意图。b 不同前锯齿结构高度H₁和背锯齿结构高度H₂下，全钙钛矿叠层太阳能电池的光生电流密度。c 经双锯齿结构优化后，宽带隙和窄带隙子电池的吸收情况，以及全钙钛矿叠层太阳能电池的总吸收。d 当前锯齿结构高度为 550 nm、背锯齿结构高度为 400 nm 时，不同波长下的电场强度分布 。

总结和展望

本研究通过设计一种双界面锯齿微结构，成功解决了全钙钛矿叠层太阳能电池面临的严重光学反射损失挑战。该设计通过协同增强宽带隙层的吸收和窄带隙层的光陷阱效应，将反射引起的光电流密度损失减少了18.34%。这一改进有望将电池效率提升至约31.13%，相较于原始结构增加了3.41%。仿真研究结果表明，对器件正面和背电极的光学结构进行协同优化，是提升全钙钛矿叠层太阳能电池效率的有效策略。