Low cost and high performance light trapping structure for thin-film solar cells
纳米尺度的电介质和金属结构是薄膜太阳能电池中流行的光分接结构。然而，在这些结构中，大的寄生吸收是不可避免的。基于这种结构的大多数方案还涉及纹理化的有源层，这可能带来材料质量的不期望的劣化。本文提出了一种新颖、廉价的基于棱镜结构SiO2的薄膜太阳能电池陷光结构，并有目的地引入了平坦的有源层。这种陷光结构通过几何形状优化来施加，以获得最佳的光学效益。通过检验我们的方案，揭示了平坦a-Si：H薄膜太阳能电池的转换效率可以被提升到超过当前认证的最高值。由于SiO2基陷光结构的成本较其他材料便宜且易于制备，因此该方案在薄膜太阳能电池中具有重要的影响和广泛的应用前景。
2015-04-23 physics.optics
Enhanced Efficiency of Light-Trapping Nanoantenna Arrays for Thin Film Solar Cells
我们提出了一个新的概念，有效的光捕获结构的薄膜太阳能电池的基础上的平面纳米天线阵列远离等离子体共振。我们的结构的工作原理依赖于激发的棋盘状集体模式的纳米天线阵列与相邻的金属元素之间的本地化的字段。我们证明了理论上的太阳能电池短路电流的设计的光捕获结构的太阳能电池操作的整个光谱范围相比，采用抗反射涂层的传统结构的大幅增强。我们的方法提供了一个一般的背景设计不同类型的高效宽带光捕获结构的薄膜太阳能电池技术兼容的大面积薄膜制造技术。
2013-01-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Fundamental Limit of Nanophotonic Light-trapping in Solar Cells
建立纳米光子光捕获方案的基本限制是至关重要的，并且对于当前的太阳能电池研究变得越来越紧迫。光捕获的标准理论表明，介质中的吸收增强不能超过4n^2/ sin^2（θ），其中n是有源层的折射率，θ是细胞周围介质中发射锥的角度。然而，该理论不适用于纳米光子领域。在这里，我们开发了一个严格的电磁方法的基础上统计的时间耦合模理论的光捕获。我们的理论表明，当有源层中的光学模式被限制在深亚波长尺度时，可以大大超过标准极限，为高效的下一代太阳能电池开辟了新的途径。
2010-05-01 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Light Trapping Textures Designed by Electromagnetic Optimization for Sub-Wavelength Thick Solar Cells
太阳能电池中的光捕获允许增加电流和电压，以及降低材料成本。已知在几何光学中，通过随机纹理化太阳能电池的表面可以实现最大4n^2的吸收增强因子，其中n是材料折射率。只有当太阳能电池的厚度远大于光波长时，这种射线光学吸收增强极限才成立。在亚波长薄膜中，基本的问题仍然没有答案：（1）亚波长吸收增强极限是什么？（2）什么样的表面纹理实现了这种最佳的吸收增强？我们转向计算电磁优化，以设计亚波长薄膜中的光捕获纳米级纹理。对于高折射率薄膜，在弱吸收极限，我们优化的表面纹理产生的角度和频率平均增强因子~39。它们的性能比随机纹理结构好大约30%，但它们低于4n^2 ~ 50的射线光学增强极限。
2013-07-20 physics.optics
Micro-cone arrays enhance outcoupling efficiency in horticulture luminescent solar concentrators
发光太阳能聚光器（LSC）已经显示出实现光谱转换的能力，这可以定制太阳光谱以更好地匹配光合作用的要求。然而，传统的LSC被设计为捕获而不是提取光谱转换的光。在这里，我们提出了一种有效的方法来提高外耦合效率，基于突出和挤压的微锥阵列图案的底部表面上的LSC。使用蒙特卡罗射线追踪，我们估计我们的园艺LSC（HLSC）的最大外部量子效率（EQE）为37.73%，相当于53.78%的改进相对于传统的平面LSC。此外，结构化HLSC提供漫射光，有利于植物生长。我们的微图案化表面为LSC中的光捕获提供了解决方案，并为HLSC的实际应用奠定了基础。
2022-06-29 physics.app-ph physics.optics
Effective Absorption Enhancement in Small Molecule Organic Solar Cells by Employing Trapezoid Gratings
我们证明了在小分子有机太阳能电池中采用梯形光栅结构可以增强光吸收。用时域有限差分法模拟了波导模和表面等离子体模对吸收的增强作用。模拟结果表明，周期性梯形光栅的引入激发了金属银阳极表面的等离子体激元，在施主层中产生了高强度的场增量。同时，波导模式在受主层中产生高强度场。电场的增加显著提高了有机太阳能电池的吸收，这一点已经通过模拟电学特性得到了证实。仿真结果表明，优化后的器件短路电流提高了31%，这与实验测量结果相吻合。实验得到的光栅样品的功率转换效率提高了7.7%。
2013-07-19 physics.optics
Beyond Lambertian light trapping for large-area silicon solar cells: fabrication methods
光捕获光子晶体（PhC）图案的表面上的硅太阳能电池提供了一个新的机会，以接近理论效率极限32.3%，光到电的功率转换与单结电池。这超过了光线捕获29%的朗伯极限所暗示的效率极限。利用干涉和慢光效应收集光，即使在Si带隙附近的长波长。我们比较了两种不同的表面图案化方法，可以扩展到大面积表面图案化：1）激光直写和2）步进重复5倍缩小投影光刻。这些方法的大面积吞吐量的限制相比，建立的电子束光刻（EBL）的路线，这是传统上利用，但比所提出的方法慢得多。比较了不同方法制备的样品的PhC光捕获光谱特征。通过激光图案化掩模蚀刻的Si的反射率在可见光波长下为7%，并且与通过EBL制造的掩模图案化的Si相当。后一种模式显示出比朗伯极限更强的吸光度（M.- L. Hsieh等人，Sci. 10，11857（2020））。
2021-12-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Photonic assisted light trapping integrated in ultrathin crystalline silicon solar cells by nanoimprint lithography
我们报道了利用纳米压印光刻和干法刻蚀技术制备二维周期性光子纳米结构，并将其集成到1 μ m薄的单晶硅太阳能电池中。由于周期性纳米图案化，实现了光的更好的内耦合和捕获，从而导致吸收增强。所提出的光捕获机制可以解释为渐变折射率效应和光活性层内部的光的光的衍射的叠加。与基准电池相比，吸收增强转化为短路电流增加23%，导致能量转换效率增加。
2012-12-13 cond-mat.mes-hall physics.optics
Semiconductor solar superabsorber
了解半导体材料通过光捕获最大限度地增强太阳能吸收，有望开发出负担得起的太阳能电池。然而，传统的朗伯极限仅适用于具有弱吸收的理想化材料系统，并且由于这些材料的大量吸收而不能适用于太阳能电池中使用的典型半导体材料。本文从理论上论证了半导体材料的最大太阳吸收增强效应，并阐明了光捕获结构接近理论最大值的一般设计原则。通过遵循这些原理，我们设计了一种实用的光捕获结构，该结构可以使半导体材料的半导体层（例如，10 nm厚的a-Si）在带隙以上吸收> 90%的太阳光。该设计具有比文献中任何现有的太阳光捕获设计小一个数量级的活性材料。这项工作指向最终太阳光捕获技术的发展。
2013-11-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Light trapping in solar cells at the extreme coupling limit
我们计算了在宽波长范围内弱吸收介质板中导模激发可获得的最大吸收增强。该板模仿低吸收区的薄膜硅太阳能电池。我们同时考虑波长尺度的周期性的纹理，小厚度的薄膜，模态特性的导波和他们的限制的薄膜。此外，我们还研究了入射角对吸收增强的影响。我们的计算提供了更严格的边界的吸收增强，但仍然显着的改善是可能的。我们对吸收增强的解释有助于更好地利用薄膜器件中的导模。
2012-10-31 physics.optics
Efficient Light Trapping Strategy in Solar Cells via Vertically Disordered Perovskite Nanowires
Åbo Akademi University（奥布阿克adem大学）
本研究通过模拟垂直无序钙钛矿纳米线，发现其可提升太阳能电池光吸收达28%，归因于光捕获与抗反射效应，并放宽了制造要求。
2026-10-06 physics.optics
Experimental Demonstration of Quasi-Resonant Absorption in Silicon Thin Films for Enhanced Solar Light Trapping
我们的实验表明，除了部分晶格无序的薄膜微晶硅光子晶体的结果在其吸收峰的控制光谱展宽，形成准共振，增加光捕获在一个宽的带宽，同时也降低了入射辐射的角度的敏感性。精确的计算模拟被用于设计有源层光子晶体，以便在宽带间隔上最大化其吸收共振的数量，其中微晶硅在利用制造引起的缺陷增强的晶格无序被应用以进一步提升性能之前是弱吸收的。这样的设计策略可能会发现实际使用，以提高薄膜硅光电转换器的效率。
2013-11-21 physics.optics
Light trapping using dimer of spherical nanoparticles based on titanium nitride for plasmonic solar cells
本文设计了一种基于TiN的球形二聚体等离激元纳米颗粒用于光伏光捕获，通过对比Ag、Au、Al证明其在可见光与近红外波段具有更优的吸收增强性能，可将硅的平均吸收功率从约19%提升至约75%。
2023-07-09 physics.app-ph physics.optics
Hybrid Nanocone-Nanohole Light Trapping for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）；Chittagong University of Engineering and Technology（吉大港工程与技术大学）
针对薄膜硅太阳能电池长波吸收弱的问题，提出混合纳米锥-纳米孔结构，通过渐变折射率与多重散射增强光捕获，实现24.42%效率，较纳米孔设计提升17.74%，且热稳定性优异。
2026-09-15 physics.app-ph physics.optics
ZnO/a-Si Distributed Bragg Reflectors for Light Trapping in Thin Film Solar Cells from Visible to Infrared Range
采用磁控溅射法制备了ZnO和非晶硅（a-Si）组成的分布布拉格反射器（DBR）。四分之一波长ZnO/a-Si DBR的峰值反射率超过99%，半峰全宽大于347 nm，周期只有6个。6对反向四分之一波长ZnO/a-Si DBR也具有98%的峰值反射率。两种ZnO/a-Si DBR的组合导致从686 nm到1354 nm的更宽的阻带。采用ZnO/a-Si DBR作为a-Si薄膜太阳电池的背反射层，在400 ~ 1000 nm的光谱范围内，光电流明显高于采用Al反射层的电池。研究结果表明，ZnO/a-Si DBR是一种很有前途的a-Si薄膜太阳电池光捕获反射器。
2015-11-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Nano-patterned back-reflector with engineered near-field/far-field light scattering for enhanced light trapping in silicon-based multi-junction solar cells
本文设计具有优化散射矩阵与相消干涉的纳米图案银背反射器，通过近场/远场协同光捕获提升Si基多结电池近红外吸收，并实验验证效率增益。
2023-05-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
New strategy to promote conversion efficiency using high-index nanostructures in thin-film solar cells
纳米尺度的金属或介电结构可以提供各种方式来将光捕获到薄膜太阳能电池中以提高转换效率。在大多数方案中，纹理化有源层涉及光捕获结构，其可以提供完美的光学益处，但也带来不期望的电性能劣化。在这里，我们提出了一种新的方法来设计高性能的薄膜太阳能电池。在我们的策略中，采用平坦的有源层，以避免电退化，并应用优化算法来寻求最佳的光捕获结构，以获得最佳的光学效益。作为一个例子，我们表明，一个平面的a-Si：H薄膜太阳能电池的效率可以促进接近认证的最高值。指出在350 ~ 800 nm波长范围内，选择合适的高折射率（>3）和高透过率的介质材料，可以进一步提高太阳电池的转换效率。
2014-11-17 physics.optics
Black Silicon Solar Thin-film Microcells Integrating Top Nanocone Structures for Broadband and Omnidirectional Light-Trapping
最近开发的各类单晶硅太阳能微电池（U电池）可以组装成具有以下特性的模块（即，机械上灵活的形式、紧凑的集中器设计和高电压输出），这是使用传统的基于晶片的方法不可能实现的。在本文中，我们描述了一个高密度，均匀和非周期性的纳米锥森林结构的黑硅（bSi）上创建的光学薄（30 μ m）的u-细胞的宽带和全向光捕获与光刻免费和高吞吐量的等离子体纹理化过程。在优化等离子体蚀刻条件和氮化硅钝化层的情况下，当嵌入聚合物波导层中时，与裸硅器件相比，黑硅u电池显示出短路电流的高达65.7%的显著增加。在开路电压和填充因子略有下降的情况下，转换效率从8%提高到11.5%。
2014-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Towards the efficiency limits of silicon solar cells: how thin is too thin?
目前可以制造吸收体厚度范围从几百微米（传统的基于晶片的电池）到薄至$1\,μ\mathrm{m}$的器件的晶体硅太阳能电池。在这项工作中，我们使用一个模型单结太阳能电池的能量转换效率的极限计算和估计的最佳吸收体厚度。对于厚度范围在40和$500\,μ\mathrm{m}$之间的电池，限制效率非常相似，接近29%。在这方面，我们认为，将厚度减小到低于约$40\,μ\mathrm{m}$是适得其反的，因为它显著降低了最大可实现的效率，即使在实现最佳光捕获时。我们分析了不完全光捕获和外在（体和表面）复合机制的作用。对于合理的高材料质量，与当今的制造技术一致，最佳厚度总是高于几十微米。我们确定不完全的光捕获和寄生损失是提高硅太阳能电池效率的主要障碍，目前的效率为25.6%。最后，考虑到影响太阳能电池性能的主要参数，我们量化了实现指定能量转换效率的约束和要求，这对于高效硅太阳能电池的适当设计策略至关重要。
2015-05-15 physics.optics
Numerical Analysis of Lamellar Gratings for Light-Trapping in Amorphous Silicon Solar Cells
本文采用模态方法，通过确定特定材料边界附近的坡印廷矢量的积分，精确计算了材料的比吸收。考虑到我们的方法的准确性只取决于所包括的模式的数量，材料的比吸收可以用作光捕获性能的质量度量。我们用这种方法来研究金属光栅，并发现在金属和非晶硅（a-Si）之间的界面处的近简并等离子体激元。等离子体激元在a-Si电池中使用的光栅的金属部分中引起大的不期望的吸收。我们探索的方法来减轻寄生吸收的金属通过适当的选择的几何形状。将衍射光栅与背反射器分离有助于，用电介质内衬银或铝也有帮助。深度> 60 nm的光栅是优选的，并且周期> 600 nm是无用的。硅中的最大吸收可以发生在比标准厚度更薄的a-Si上。我们还发现，几何不对称性可以提高光伏的吸收。最后，我们研究了模式对吸收的贡献，发现在大多数情况下，吸收不能归因于单一模式，而是来自于一些重要模式的相互作用。
2015-12-24 physics.optics
There Are Two Distinct Photon Gases Present Inside Every Solar Cell
该研究发现太阳能电池内除被捕获的入射太阳光光子气体外，还存在被全内反射捕获的红外发光光子气体，提出超平衡概念，指出光学设计对提升效率、趋近Shockley-Queisser极限至关重要。
2024-05-14 cond-mat.other physics.optics
High-Efficiency Hexagonal Nanowire MAPbI3 Perovskite Solar Cell with Broadband Light Trapping
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）；Chittagong University of Engineering and Technology（吉大工程技术大学）
本研究提出一种高效六边形纳米线钙钛矿太阳能电池，通过优化结构参数提升光吸收和载流子传输效率，实现24.2%的高功率转换效率。
2026-01-30 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Broadband Absorption in Cadmium Telluride Thin-Film Solar Cells via Composite Light Trapping Techniques
本研究通过纳米锥纹理和嵌入锗纳米颗粒的复合光捕获技术，在碲化镉薄膜太阳能电池中实现了宽带吸收，显著提升了短路电流密度和功率转换效率。
2025-02-27 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Simulation of nanostructure-based and ultra-thin film solar cell devices beyond the classical picture
在本文中，一个光电子器件的模拟框架有效的任意空间变化的电子势和光学模式，从弹道到扩散的运输制度，是用来研究非本地光子吸收，光电流产生和载流子提取在超薄膜和纳米结构的太阳能电池器件在辐射极限。在微观方法所揭示的影响，这是无法访问的宏观模型的结构，掺杂或偏置引起的纳米级的局部光生速率和光载流子输运制度的潜在变化的影响。
2014-07-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
