在傳統(tǒng)的光電設(shè)備（如太陽能電池）中，前接觸（如柵線）通常會因?yàn)榉瓷浜臀論p失部分入射光，導(dǎo)致效率降低。此外，透明導(dǎo)電氧化物（TCO）層的使用也會帶來額外的電阻損耗。

為了提高光電設(shè)備的效率，需要設(shè)計(jì)一種既能減少光損失又能保持高導(dǎo)電性的前接觸結(jié)構(gòu)。采用微米級三角形橫截面柵線，通過光散射原理實(shí)現(xiàn)了 99.86% 的光學(xué)透明度和低至 4.8 Ω/sq 的薄層電阻。

三角形柵線設(shè)

通過將散射光重新引導(dǎo)到太陽能電池的活性吸收層表面，設(shè)計(jì)了一種具有微米級三角形截面的柵線。這種設(shè)計(jì)利用了光的散射和反射特性，使得柵線在視覺上幾乎透明，同時保持了高效的電導(dǎo)率。

工作原理：

光散射 Redirect：三角形結(jié)構(gòu)將入射光散射至太陽能電池活性層，減少反射損失。

等效透明性：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，柵線在寬波長（250-1400 nm）和入射角（0°-55°）范圍內(nèi)保持高透明度。

優(yōu)勢：

高透明度：實(shí)驗(yàn)測得最高透明度達(dá) 99.86%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)金屬柵線（約 96.67%）。

低電阻：間距 40 μm 時，薄層電阻為 4.8 Ω/sq，接近均質(zhì)材料性能。

簡化結(jié)構(gòu)：可替代 TCO 層，降低材料成本和工藝復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

雙光子光刻：制備微米級三角形結(jié)構(gòu)作為母版。凹版印刷：通過銀漿或二氧化硅溶膠-凝膠復(fù)制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大面積制備（已達(dá) 8 mm×8 mm）。

干法刻蝕：直接在硅基底上刻蝕三角形結(jié)構(gòu)，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

平面接觸和三角形截面接觸的穩(wěn)態(tài)電場強(qiáng)度分布

通過對比平面接觸和三角形截面接觸的光學(xué)性能，證明了三角形截面柵格指在減少反射和增強(qiáng)透明度方面的優(yōu)勢。

對于平面柵線，部分入射光會反射回入射方向，這從接觸平面上方的高電場密度可以明顯看出；而三角形橫截面柵線則沒有類似的背反射現(xiàn)象，其前向散射方向的電場有所增強(qiáng)，這很好地解釋了其有效透明性。

3D共聚焦顯微鏡圖像顯示，在平面接觸附近，反射信號比減反射涂層的太陽能電池表面強(qiáng)很多；而三角形柵線的側(cè)壁沒有反射回入射光源的信號，只有尖端因曲率半徑有限有一些反射，這一點(diǎn)也得到了光學(xué)模擬的證實(shí)。

反射與光電流空間分布

反射與光電流空間分布

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了三角形截面柵格指在減少反射和增強(qiáng)光電流收集方面的顯著優(yōu)勢。

在反射圖像中，平面柵線的亮區(qū)表明其反射較強(qiáng)，而三角形橫截面柵線較暗，部分區(qū)域甚至無反射。

光電流圖像顯示，平面柵線處光電流很少，而三角形橫截面柵線處光電流相對較高。通過線掃描剖面圖能更直觀地看出兩者在光電流收集上的差異，LBIC 測量進(jìn)一步說明了三角形橫截面柵線在引導(dǎo)光電流方面的優(yōu)勢。

制造工藝與結(jié)構(gòu)表征

三角形橫截面柵線的制造過程和結(jié)構(gòu)表征

雙光子光刻制備的三角形結(jié)構(gòu)作為母版，可用于凹版印刷。通過不同材料（二氧化硅溶膠 - 凝膠和銀漿）的復(fù)制，能得到相應(yīng)的柵線結(jié)構(gòu)。改進(jìn)的壓印工藝可以避免銀殘留，在紋理化硅太陽能電池上的復(fù)制也證明了該工藝的兼容性。此外，干法刻蝕在硅基底上直接形成的三角形結(jié)構(gòu)，為大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種可行的方法。

三角形橫截面柵線通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新（微米級三角形態(tài)）和光管理優(yōu)化，在透明度、導(dǎo)電性、成本三方面實(shí)現(xiàn)突破，為下一代高效太陽能電池提供了顛覆性解決方案。

綜上所述，本文提出的三角形橫截面柵線設(shè)計(jì)為光電電池的前接觸技術(shù)開辟了新路徑。通過獨(dú)特的光散射機(jī)制與微納結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該設(shè)計(jì)在保持高導(dǎo)電性（薄層電阻低至4.8 Ω/sq）的同時，實(shí)現(xiàn)了 99.86% 的光學(xué)透明度，突破了傳統(tǒng)金屬柵線與 TCO 層的性能瓶頸。

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原文出處：Effectively Transparent Front Contacts for Optoelectronic Devices

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