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富含铟的InGaN/GaN太阳能电池通过等离子体和介电纳米光栅实现性能提升

DOI：10.1002/ese3.436 期刊：Energy Science & Engineering 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 在本研究中，我们提出了一种富铟InGaN/GaN p-i-n薄膜太阳能电池，其集成了双纳米光栅（NG）结构：电池背面为银纳米光栅（Ag-NGs），正面为氮化镓纳米光栅（GaN-NGs）。有限时域差分（FDTD）模拟结果表明，该双NG结构能将入射阳光耦合至等离子体与光子模式，从而拓宽太阳能电池的光吸收光谱范围。观测显示，相较于无纳米光栅、仅正面纳米光栅或仅背面纳米光栅的电池，采用双纳米光栅结构的电池具有显著增强的光吸收效果。对含双NG结构电池的光吸收分析表明：长波长吸收增强主要源于背面Ag-NGs，短波长吸收增强则主要来自电池正面的GaN-NGs。在AM1.5G太阳光照条件下计算得出，经优化的双NG结构使短路电流密度（Jsc）和光电转换效率（PCE）显著提升——非偏振光（TM与TE平均）下Jsc从17.88 mA/cm2增至23.19 mA/cm2（约30%增幅），PCE从15.49%提升至20.24%（约31%增幅）。此外，斜入射光研究表明，双纳米光栅电池的Jsc显著高于无纳米光栅电池。
作者： Uttam K. Kumawat，Kamal Kumar，Priyanka Bhardwaj，Anuj Dhawan
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过引入等离子体和介电纳米光栅研究富铟InGaN/GaN太阳能电池的性能提升。

研究成果

双纳米光栅结构通过将入射阳光耦合到等离子体模式和光子模式，显著提高了InGaN/GaN太阳能电池的吸收率和功率转换效率。优化后的结构在非偏振光下使短路电流密度（Jsc）提升了30%，功率转换效率（PCE）提升了31%。该研究表明双纳米光栅在宽光谱范围内提升太阳能电池性能的潜力。

研究不足

该研究基于模拟，由于材料质量和相分离问题，所提出的高铟含量InGaN层太阳能电池结构的实际制备可能面临挑战。此外，斜入射光下的性能仅模拟至50度。

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