[论文解读] Four-terminal perovskite/silicon tandem solar cell with integrated Mie-resonant spectral splitter metagrating

Verena Neder, Dong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出一种集成介电超晶格的四终端钙钛矿/硅叠层太阳能电池，该超晶格作为Mie共振光谱分频器，增强钙钛矿顶电池的光捕获能力，并提高近红外光向硅底电池的传输效率。该超晶格通过基底共形压印光刻技术制造，降低了镜面反射，使短路电流提升0.5 mA/cm²，对应绝对效率提升0.26%，模拟预测优化设计可实现最高0.4%的增益。

ABSTRACT

A spectral splitting, light trapping dielectric metasurface is designed, fabricated and integrated into a four-terminal perovskite/silicon hybrid tandem solar cell to increase the absorption of light close to the bandgap of the perovskite top cell, and enhance transmission of the near-infrared spectral band towards the bottom cell. The metagrating is composed of a hexagonal array of unit cells of 150-nm-tall hydrogenated amorphous silicon trimer nanostructures with dielectric Mie resonances in the 600-800 nm perovskite near-gap region, made using substrate-conformal imprint lithography. By tailoring the metasurface resonant scattering modes and their interference with the direct reflection paths we minimize specular reflection and obtain high diffraction efficiency that leads to improved light trapping in the perovskite top cell. The measured short-circuit current increase in the perovskite top cell is 0.5 mA/cm2 corresponding to an estimated efficiency gain of 0.26% (absolute) for the metasurface-integrated 4T perovskite/silicon tandem cell. Simulations for a further optimized metasurface spectrum splitter geometry predict a short-circuit current gain in the perovskite top cell of 1.4 mA/cm2 and an efficiency gain for the 4T tandem cell of 0.4% (absolute). The metagrating approach for simultaneous spectral splitting, light trapping and reflectance reduction provides a flexible platform that can be applied to many tandem cell geometries.

研究动机与目标

• 通过集成介电超表面实现光谱分频与光管理，提升四终端钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能。
• 解决钙钛矿带隙附近光吸收受限及近红外光向硅底电池传输不充分的问题。
• 通过六边形排列的非晶硅三聚体纳米结构中定制的Mie共振，最小化镜面反射并最大化衍射效率。
• 展示一种可扩展的共形制造方法，利用基底共形压印光刻技术实现超表面与叠层电池结构的集成。

提出的方法

• 设计高度为150 nm的六边形排列非晶硅三聚体纳米结构阵列，以在600–800 nm波段激发Mie共振，匹配钙钛矿带隙区域。
• 利用介电Mie共振控制散射模式，并通过与直接反射路径的干涉工程，最小化镜面反射。
• 采用基底共形压印光刻技术在曲面或纹理表面制造超晶格，实现与叠层电池结构的集成。
• 优化超表面几何结构，以实现高衍射效率并增强钙钛矿层的光捕获。
• 通过电磁建模模拟光谱响应与电流生成，预测理想条件下性能提升。
• 实验集成超晶格至四终端叠层电池，并测量短路电流的增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有Mie共振的介电超晶格能否有效分频太阳光谱，以增强钙钛矿顶电池的吸收？
• RQ2 在集成超表面的叠层太阳能电池中，如何最小化镜面反射并最大化衍射效率？
• RQ3 该超晶格在多大程度上提升了四终端钙钛矿/硅叠层电池的短路电流与整体效率？
• RQ4 基底共形压印光刻技术能否实现复杂叠层电池几何结构上此类超表面的可扩展、高保真制造？
• RQ5 进一步优化超表面光谱分频器几何结构后，预测的性能增益是多少？

主要发现

• 集成超表面的四终端钙钛矿/硅叠层太阳能电池在钙钛矿顶电池中实现了实测短路电流增加0.5 mA/cm²。
• 该电流增益对应标准测试条件下叠层电池绝对效率提升0.26%。
• 针对优化超表面几何结构的模拟预测，钙钛矿层的短路电流增益可达1.4 mA/cm²。
• 优化设计预计可使四终端叠层电池实现绝对效率提升0.4%。
• 超晶格有效降低了镜面反射，并通过工程化设计的Mie共振散射模式干涉，增强了光捕获。
• 该方法因其柔性共形制造与多功能光学调控，展现出与多种叠层电池结构的兼容性。