薄膜柔性太阳能电池具有低成本、低能量偿还时间、轻质、柔性等优势，在便携式设备、建筑光伏集成一体化等应用中有广阔前景。然而，光损失（反射和透射）是制备高效、柔性电池的关键问题。反射源于电池表面的高折射率的透明电介质或金属氧化物。目前，传统的四分之一波长 (λ/4) 涂层仅对垂直入射的特殊波长光子有效。为增强宽带和广角光吸收，金字塔型光陷结构被广泛用于晶体硅太阳能电池。但这种微米尺寸光陷结构，并不适用于只有几百纳米厚的薄膜柔性太阳能电池。纳米技术可在最大程度上减少光损失。同时，纳米技术可使薄膜柔性太阳能电池拥有独特的优点，如：抑制反射、减少透射、新电荷分离机制、自清洁、助于应变松弛、高使用寿命等。

为深入了解纳米结构对光伏器件性能的影响，香港科技大学范智勇教授团队综述了纳米结构和纳米材料在光伏领域的设计和应用，以及最新发展，并讨论这些策略的独特优点及挑战。研究表明，纳米结构可有效整体提高太阳能电池性能。用于器件表面的纳米结构，如纳米线、纳米柱、纳米锥、纳米球、纳米片等，是宽带和广角抗反射结构。其光陷结构和渐变折射率，在最大程度上减少光反射。此外，这些纳米结构拥有荷叶的自清洁效应。近年来，人们也对用于光敏层背面的纳米结构进行了大量的研究，以此将光子反射回光敏层，减少透射。纳米结构均在一定的程度上增强了光伏器件的光吸收，提高了短路电流 (Jsc)。这也使得超薄柔性电池成为可能。

此外，文章还阐述了基于纳米光敏材料的太阳能电池的最新研究进展。基于此的柔性光伏器件具有优异的柔性、寿命和能量转化效率（PCE）。特别是，三维纳米异质结构提高了PCE，同时有望降低生产成本。与传统薄膜光伏器件相比，这种三维纳米异质结构，可在正交方向产生、分离光生载流子。光生载流子只需经过径向极短的距离（几十纳米）就可到达p-n结边界，载流子复合率降低。由此，拓宽了光敏材料的选择范围。使用质量更低的材料（体复合率高，表面复合率低），电池的PCE也不会有显著影响。纳米材料的光陷效应可进一步增强光吸收。此外，与传统薄膜电池相比，纳米结构可有助于应力松弛，避免连续弯曲过程中的裂纹。大量实验表明，纳米器件具有优异的柔性。

纳米结构为光伏器件提供宽带和广角抗反射以及自清洁能力。这些纳米结构有效地提高了电池的能量转化效率。尽管如此，离太阳光谱全覆盖的光伏器件的最终目标还很遥远。进一步优化纳米结构的几何结构、材料以及制备工艺，可最大程度发挥纳米材料的光捕获潜力。

目前，人们已经对基于三维纳米异质结构的光伏器件进行了大量研究，包括光陷效应、正交化光生载流子的产生和收集。但是，由于高比表面积，表面复合仍是纳米光伏器件的核心问题。因此，材料表面性能的研究是极其重要的，这包括电荷转移、表面复合、少数载流子寿命、掺杂浓度、表面状态和电导率等。另外，太阳能电池效率取决于光生载流子收集，界面工程可显著提高纳米器件性能，如表面钝化、表面改性、能带结构优化等。

Recent progress of efficient flexible solar cells based on nanostructures

Yiyi Zhu, Qianpeng Zhang, Lei Shu, Daquan Zhang, Zhiyong Fan

J. Semicond. 2021, 42(10): 101604

doi:?10.1088/1674-4926/42/10/101604

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/10/101604?pageType=en