耦合等离子体波导共振几何结构用于半导体太阳能电池中红外吸收的提升

薄膜太阳能电池因其高光电转化效率受到青睐，但在光子能量低于带隙（近红外和短波红外）时，强光吸收通常需要较厚的半导体层。为解决这一权衡，提出了 various 光学方法，包括活性层内的光散射、减少表面反射、以及使用共振结构提高光的 confined、捕获和耦合效率。然而，共振结构通常仅在狭窄的光谱范围内工作，限制了其利用完整太阳光谱的潜力，并且涉及复杂的制造工艺和严格的结构设计。在本工作中，提出了一种新方法，用于在宽角度和宽光谱范围内、针对两种偏振状态（横向电极 TE 和横向磁极 TM）提高半导体太阳能电池的吸收效率。该方法基于在平面层状结构中激发的耦合等离子体波导共振 (CPWR) 配置，该结构可采用简单的沉积技术制造。以该方法为例，硅 (Si) 层的所需厚度可从约 130~180 微米（商业太阳能电池中通常使用的厚度）减薄至仅几微米。该方法实现了对红外光谱部分的高效能量收集。通过激发 CPWR，该方法克服了传统硅太阳能电池在波长超过 1100 nm 时吸收光谱的急剧下降。场计算表明，在共振波长处，光在 Si 层中被高效吸收。该方法具有普适性，可应用于不同类型的半导体材料和棱镜材料。为维持 1100 nm 以下波长处的高吸收率，提出了额外的半导体-金属-半导体配置，在金属层下方添加一层较薄的 Si 层。