提高电池的稳定效率，最大限度地降低成本都是研究硅基薄膜太阳电池的关键问题。由于非晶硅薄膜太阳电池的载流子寿命较短，为有效收集光生载流子，必须减小吸收层的厚度。减小厚度同时还能降低电池成本，减弱Steabler-Wronski 效应造成的性能衰减。然而较薄的吸收层厚度又无法充分吸收太阳光，为提高非晶硅薄膜的光吸收，必须引入一些光波长量级的微结构，利用其对光的散射、衍射等光学效应提高有效光程。

　　目前通常采用绒面的透明导电氧化物玻璃来制备p-i-n 电池以实现上述效果，但是n-i-p 结构的电池还没有一种成熟的制备微结构衬底的方法。前沿的研究中有不少报道采用光刻等半导体工艺在衬底上制备微纳结构来达到陷光的效果，也有采用自组装的纳米球二维光子晶体做模板结合刻蚀工艺制备图形化衬底的。这些研究都说明微结构衬底可有效提高n-i-p 电池的能量转换效率，但是其制备方法均限于较小的尺寸，并且成本较高，与薄膜太阳电池大规模、低成本的要求相悖。

　　本文报道了一种采用电化学的方法制备图形化金属衬底的方法，实验和模拟结果都表明该衬底可有效提高非晶硅薄膜太阳电池的光吸收，为实现高效率n-i-p 非晶硅薄膜太阳电池提供了一种大面积、低成本应用的新途径。

　　实验

　　实验中首先采用阳极氧化的方法在酸性溶液中对铝片进行氧化。调节氧化电压，可以得到具有不同孔间距的多孔阳极氧化铝（AAO）薄膜，AAO 薄膜的底部具有球形的阻挡层并在铝片上留下了凹坑状的图形。将AAO 薄膜选择性溶解之后，就得到了图形化的铝衬底。利用磁控溅射和PECVD 在该图形化铝衬底上制备了n-i-p 非晶硅薄膜太阳电池。电池的结构是Al/Ag/BZO/n-i-p a-Si:H/BZO。利用VarianCary 5000 紫外-可见-近红外分光光度计对电池的光学性质进行了测试，测试温度为25℃。利用有限时域差分法（FDTD）对电池的光学性质进行了模拟。

　　结果与讨论

　　图 1 是经过阳极氧化和选择性溶解AAO 薄膜之后的图形化铝片的扫描电子显微镜（SEM）图片，从中可以看到具有六边形边界的凹坑状的图形。通过控制阳极氧化时的电压，凹坑的平均尺寸被控制在大约500nm。在该衬底上沉积Al/Ag/BZO/n-i-p a-Si:H/BZO之后，每一层薄膜和电池表面都会沿袭这种凹坑状的形貌，其散射等光学作用能有效提高非晶硅薄膜太阳电池的光吸收。

图 1 图形化铝片的SEM图片[page]

　　为验证这种图形化衬底对光吸收的作用，我们以抛光的铝片作为参照，测试并对比了其反射光谱（如图2 所示）。从图2 可见，以这种图形化铝片为衬底的电池在全光谱范围内减小了光的反射。反射率减小一方面是由于电池的表面形貌沿袭了图形化衬底的凹坑状结构，对入射到电池表面的光产生散射作用，增加了空气/BZO 界面上光的透过率[5]。另一方面在电池底部的Ag 背反层同样保持了铝衬底的微结构，在光激发下产生表面等离子体共振，增强了局部的电磁场，提高了硅薄膜的光吸收。除此之外，由于上述散射和表面等离子体效应，更多的入射光将被耦合进波导模式中，有效提高了硅薄膜对光的吸收。

图 2 以图形化铝片和抛光铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池的反射光谱

为验证上述吸收增强原理，我们首先改变了图形化衬底上硅薄膜的厚度并比较了其反射光谱。如图3所示，不同硅薄膜厚度下，反射光谱具有明显差异。值得注意的是，短波长区域（<500nm）和长波长区域（>600nm）反射率随厚度变化的趋势相反。在短波长区域，硅薄膜越厚反射率越高，而在长波长区域，硅薄膜越厚反射率越低。

图 3 不同的非晶硅厚度下，以图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池的反射光谱

　　这可以从非晶硅薄膜对长短波长光的吸收系数不同来解释。硅薄膜对短波长光的吸收系数大，短波长光在硅薄膜的表层即被完全吸收，其反射率取决于空气/BZO 界面的透过率。当硅薄膜较厚时，凹坑状的结构会逐渐演化成平坦的表面，电池表面的粗糙度降低，空气/BZO 界面上的散射减弱，从而透过率减小，反射率上升。与之相反的是，硅薄膜对长波长光的吸收系数低，其反射率取决于长波长光在硅薄膜内的光程和吸收率。较厚的硅薄膜能增加光程从而增加长波长光的吸收，具有较小的反射率。综合考虑长短波长的反射率，我们发现230nm 厚的非晶硅薄膜具有最佳的光谱响应。[page]

图 4 以不同尺寸的图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池的反射光谱

　　由于硅薄膜对长波长光的吸收系数低，长波长光会穿过整个电池结构，因此电池结构的波导模式将会对长波长光的传播产生重要影响。波导模式通常和几何尺寸相关，我们改变了铝衬底的图形尺寸来研究其对光波导模式和光传播行为的影响。图4 显示了图形尺寸分别为375nm、437nm、500nm 和562nm 时的反射光谱。可以看到随着图形尺寸的变大，在1100nm左右出现的反射谷和反射峰均发生红移。这是因为波导的本征模式的波长与几何尺寸有关，尺寸越大，本征模的波长越大。因此图4 充分体现了波导模式对于提高长波长光吸收的作用。值得注意的是，不同几何尺寸下，除了反射峰的位置发生变化，反射峰的强度也有不同。500nm 的图形其反射率最低，这与非晶硅薄膜的响应波长范围有关。该尺寸对应的波导模式能最大限度地与硅薄膜的响应波长范围相匹配，达到最佳的吸收增强效果。这也为电池结构参数的优化提供了指导。

　　更进一步，长波长光能够传播到电池的底部，并和底层的Ag 薄膜发生相互作用，激发表面等离子体共振。一方面表面等离子体共振增加局部电磁场或者通过SPP 模式限制光横向传播可以提高硅薄膜的光吸收，另一方面表面等离子体共振也会在Ag 薄膜上增加额外的光吸收损耗。为了研究Ag 薄膜的表面等离子体共振对硅薄膜吸收的影响，必须将硅薄膜的吸收从电池总的吸收中分离出来。为此我们采用FDTD的数值计算方法，模拟了这种电池结构的光学性质，计算了以抛光铝片和图形化铝片为衬底的电池的总吸收和硅薄膜的吸收，示于图5。

　　图 5 （a）以抛光铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池总吸收和硅薄膜的吸收；
                  （b）以图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池各层的吸收分布图[page]

    对比图2 电池的反射谱测量结果和图5b 中电池的吸收谱模拟结果发现，模拟结果多了很多很窄很强的峰。这是由于在对电池结构进行模拟时，假设了凹坑结构是有序并且周期性排列的阵列。而实际的电池结构中，凹坑并不是完全有序地进行排列。不可否认的是，模拟结果的平均效果和变化趋势同实验结果相吻合。

　　从图5 中可以看到，硅薄膜的吸收和电池总的吸收在长波长段和短波长段都出现一定偏差。短波长段的偏差来自于BZO 窗口层的额外吸收，而长波长光的吸收主要来自于Ag 薄膜。在抛光的铝片上，长波长段偏差较小，说明在平面结构上，波导模式和表面等离子体共振均不能有效激发，入射光与Ag 薄膜不会有很强的相互作用，发生在Ag 薄膜上的吸收损耗较小。在具有图形结构的电池中，硅薄膜的吸收有显著提高，在吸收带边达到了近40 倍的增强。这主要是由于硅薄膜中波导模式的增强以及同金属表面等离子体共振的耦合作用。同时值得注意的是，表面等离子体共振也同时增加了Ag 薄膜的吸收损耗。因此，通过优化器件结构，降低Ag 薄膜的吸收损耗，可进一步提高电池的有效吸收。

　　由于Ag 薄膜的吸收损耗增加，硅薄膜的吸收增强并不如电池总的吸收那么显著。然而，实际的电池中只有被硅薄膜吸收的光才能最终转化为光生电流。利用数值模拟将硅薄膜的吸收分离出来之后，就能研究图形化衬底对电池性能的实际贡献。图6 显示了500nm 图形尺寸，230nm 硅薄膜厚度下，硅薄膜吸收增强系数的模拟结果。虽然Ag 增加了额外损耗，但相比于没有图形的平面结构电池，具有图形化衬底的硅薄膜的吸收增强仍然是非常可观的。尤其是靠近硅薄膜的吸收带边时，其增强系数可以达到接近40 倍。

图 6 以图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜的吸收增强系数模拟结果

　　为进一步衡量图形化衬底对非晶硅薄膜太阳电池的作用，我们以标准太阳光谱AM1.5 为权重（300nm~800nm），计算了图形化衬底对短路电流的贡献。图7 显示了不同图形尺寸下，短路电流增强系数。可以看到，在假设光生载流子全部被收集的情况下，短路电流可以提高28%~36%。需要指出的是，计算结果中450nm或者更大尺寸的图形是较优参数，与测试结果中500nm 图形为最优参数不一致。这主要是由于模拟的模型中假设凹坑是周期性有序排列造成的。

图 7 FDTD 计算的短路电流的提高

　　结论

　　本文提出了一种以阳极氧化法制备的图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池。由于这种图形化的微结构所产生的光散射、波导模式的耦合以及Ag 薄膜的表面等离子体的激发，硅薄膜的光吸收有了显著的增强。数值计算结果显示在硅薄膜吸收带边，其吸收增强系数接近40 倍。利用此图形化衬底，可以将电池的短路电流提高28%至36%。本文提出的方法有望实现大面积、低成本的高效率硅基薄膜太阳电池。