广西类脑计算与智能芯片重点实验室(BCIC)朱君教授团队在光学领域的国际学术期刊《Optics Express》（中科院升级版二区，JCR Q2）刊发了题为——《Performance enhancement of solar cells based on high photoelectric conversion efficiency of h-BN and metal nanoparticles》的最新研究成果。

论文简介

本文提出一种基于CdTe/CdS异质结的新型CdTe薄膜太阳能电池，采用时域有限差分法(FDTD)模拟电池在一定边界条件下时域中电磁波的传播和优化结构时电池吸收率的变化过程。仿真发现，所提出的结构加入h-BN和金属粒子后电池的光吸收显著增强。标准光AM1.5照射下，在波长300nm-1000nm范围内呈现出90%的吸收带宽，且平均吸收率高达92.9%，短路电流为30.98 mA/cm2，开路电压为1.155V，光电转换效率（PCE）提升到30.76%，在原来的基础上提高了27.58%。结果表明，在电池的吸收层中嵌入金属纳米粒子后，在光的作用下，金属粒子表面的自由电子发生振荡，电磁场被局限在粒子表面很小的范围内并发生增强，这种增强有利于电池对光的吸收。该研究为制造宽吸收，高效率的薄膜太阳能电池提供了基础理论研究和可行方案。

论文主要工作

（1）近年来，由于薄膜太阳能电池具有高吸收，结构灵活和制造容易等性质，受到广泛的关注和研究。本文研究了h-BN、刻蚀ITO光栅结构和嵌入纳米金属粒子对CdTe薄膜电池光吸收和光电转换效率的影响。研究表明，在可见光范围内，CdTe薄膜太阳能电池的吸收率保持在90%以上，并且最终的光电转换效率达到了30.76%。提出了新型CdTe薄膜太阳能电池结构，并研究介绍了该电池的工作原理和制备工艺（图1所示）。

图1 CdTe薄膜太阳能电池的XZ截面图和工作原理

（2）优化电池结构提高电池的光吸收率（图2）。其中在CdTe层中间嵌入等离子体Au纳米粒子的结构后分别出现三个吸收峰，吸收率为94.2%、94.8%和97%，且平均光吸收率高达92.9%。

图2 CdTe薄膜太阳能电池改变结构时的吸收率变化：(a)参考电池，(b)改变缓冲层为h-BN， (c)带光栅结构，(d)带纳米金属粒子

（3）提出的电池结构经过结构和材料的优化后具有优良的光伏特性（图3所示），结果表明，本文提出的电池结构通过减少载流子复合损失和光反射损失后，在短路电流、开路电压以及光伏效率上有显著提高，本文的光伏效率相对文献[20]、[41]和[42]来说，分别提高了33.68%、16.51%和8.27%。此外，我们提出的CdTe薄膜太阳能电池在厚度方面也占有巨大优势，将电池厚度降低到0.67um，不仅减少原材料，而且降低了电池的成本（详见表1）。

图3 (a) CdTe薄膜太阳能电池的J-V图，(b) CdTe薄膜太阳能电池的功率图

表1 文献中报道的一些光伏电池参数

结论

本文提出一种带ITO光栅结构和Au纳米粒子的CdTe薄膜太阳能电池模型，采用FDTD拟在一定边界条件下求解在CdTe薄膜太阳能电池中加入h-BN、刻蚀ITO光栅结构和嵌入纳米金属粒子时电池吸收率的变化。经过优化，电池在可见光范围的吸收率提升到90%以上，平均吸收率高达92.9%，电流、电压、填充因子和光电效率分别为30.98、1.155 V、85.97%和30.76%。最终，验证了所提出的CdTe薄膜太阳能电池在吸收率、吸收宽带和光伏效率等方面都表现出高性能，并且这种结构和分析方法亦适用于其他薄膜太阳能电池的研究。

原文链接：https://doi.org/10.1364/OE.453972