采用微米级三角形横截面栅线，实现99.86%透明度与低电阻，引领前接触技术革新与应用

 

在传统的光电设备（如太阳能电池）中，前接触（如栅线）通常会因为反射和吸收损失部分入射光，导致效率降低。此外，透明导电氧化物（TCO）层的使用也会带来额外的电阻损耗。

 

 

为了提高光电设备的效率，需要设计一种既能减少光损失又能保持高导电性的前接触结构。采用微米级三角形横截面栅线，通过光散射原理实现了 99.86% 的光学透明度和低至 4.8 Ω/sq 的薄层电阻。

 

三角形栅线设

通过将散射光重新引导到太阳能电池的活性吸收层表面，设计了一种具有微米级三角形截面的栅线。这种设计利用了光的散射和反射特性，使得栅线在视觉上几乎透明，同时保持了高效的电导率。

工作原理：

 

 

光散射 Redirect：三角形结构将入射光散射至太阳能电池活性层，减少反射损失。

 

 

等效透明性：通过结构设计，栅线在宽波长（250-1400 nm）和入射角（0°-55°）范围内保持高透明度。

 

 

优势：

 

高透明度：实验测得最高透明度达 99.86%，远超传统金属栅线（约 96.67%）。

 

 

低电阻：间距 40 µm 时，薄层电阻为 4.8 Ω/sq，接近均质材料性能。

 

 

简化结构：可替代 TCO 层，降低材料成本和工艺复杂度。实验与验证

 

双光子光刻：制备微米级三角形结构作为母版。凹版印刷：通过银浆或二氧化硅溶胶-凝胶复制结构，实现大面积制备（已达 8 mm×8 mm）。

 

干法刻蚀：直接在硅基底上刻蚀三角形结构，适用于大规模生产。

 

 

平面接触和三角形截面接触的稳态电场强度分布

 

通过对比平面接触和三角形截面接触的光学性能，证明了三角形截面栅格指在减少反射和增强透明度方面的优势。

 

 

对于平面栅线，部分入射光会反射回入射方向，这从接触平面上方的高电场密度可以明显看出；而三角形横截面栅线则没有类似的背反射现象，其前向散射方向的电场有所增强，这很好地解释了其有效透明性。

 

 

3D共聚焦显微镜图像显示，在平面接触附近，反射信号比减反射涂层的太阳能电池表面强很多；而三角形栅线的侧壁没有反射回入射光源的信号，只有尖端因曲率半径有限有一些反射，这一点也得到了光学模拟的证实。

反射与光电流空间分布

 

反射与光电流空间分布

 

通过实验数据验证了三角形截面栅格指在减少反射和增强光电流收集方面的显著优势。

 

 

在反射图像中，平面栅线的亮区表明其反射较强，而三角形横截面栅线较暗，部分区域甚至无反射。

 

 

光电流图像显示，平面栅线处光电流很少，而三角形横截面栅线处光电流相对较高。通过线扫描剖面图能更直观地看出两者在光电流收集上的差异，LBIC 测量进一步说明了三角形横截面栅线在引导光电流方面的优势。

制造工艺与结构表征

 

三角形横截面栅线的制造过程和结构表征

双光子光刻制备的三角形结构作为母版，可用于凹版印刷。通过不同材料（二氧化硅溶胶 - 凝胶和银浆）的复制，能得到相应的栅线结构。改进的压印工艺可以避免银残留，在纹理化硅太阳能电池上的复制也证明了该工艺的兼容性。此外，干法刻蚀在硅基底上直接形成的三角形结构，为大规模生产提供了一种可行的方法。

 

 

三角形横截面栅线通过结构创新（微米级三角形态）和光管理优化，在透明度、导电性、成本三方面实现突破，为下一代高效太阳能电池提供了颠覆性解决方案。

 

综上所述，本文提出的三角形横截面栅线设计为光电电池的前接触技术开辟了新路径。通过独特的光散射机制与微纳结构优化，该设计在保持高导电性（薄层电阻低至 4.8 Ω/sq）的同时，实现了 99.86% 的光学透明度，突破了传统金属栅线与 TCO 层的性能瓶颈。

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原文出处：Effectively Transparent Front Contacts for Optoelectronic Devices

 

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