太阳能光伏(PV)系统作为优异的可再生能源利用方式，已成为能源转型的领跑者。因为使用较少的半导体材料，太阳能电池的薄膜变体已经成为一种具有成本效益的太阳能收集途径。除了传统的硅基结构外，III-V和钙钛矿(PVK)化合物也被大量研究作为薄膜太阳能电池(TFSC)的活性材料。在TFSCs中使用的薄吸收层减少了有源区的光子吸收，降低了器件的整体效率。然而，超表面由于其增强光-物质相互作用的能力而引起了光子学研究界的极大兴趣，更常见于宽带太阳能吸收器。如果直接用于TFSC，在活性层内存在金属图案或薄金属薄膜会导致金属界面上的电子-空穴对的复合增加和欧姆损耗等问题。具有由IV族材料和III-V族化合物组成的活性层的超表面可以解决这些问题，在没有金属图案的超表面上很难实现对太阳光谱的宽带吸收，直接结合超表面吸收剂的太阳能电池有望解决这一问题。

　　本文提出了一种基于超表面吸收体的新型高效单结薄膜太阳能电池。在InAsP薄膜中使用一个相互连接的双倒分裂环谐振器模式作为吸收体超表层，使其克服先前报道的超表面太阳能吸收体的局限性。通过对超表面吸收器吸收特性的研究，并根据光学模拟结果，计算出峰值理想短路电流密度为76.23mA/cm2。该值高于迄今为止报道的任何其他IV族材料和III-V族化合物吸收剂结构。用作吸收层时，这种优异的光谱响应导致功率转换效率(PCE)提高超过36%，证明了超表面吸收剂在制备高效TFSCs方面的巨大潜力。

　　超表面单结薄膜太阳能电池(TFSC)的结构示意图如图1所示，超表面层具有双倒裂环谐振器(ISRR)模式，内环和外环相互连接。在氧化铟锡(ITO)前电极和结构铝(Al)后反射器上使用了金字塔形的TiO2来增强活性层的吸收，背电极的Al纳米粒子(NP)形成二维光栅，嵌入底部的InAs0.25P0.75层。选择InAsP层的摩尔分数是因为InAs具有更好的吸收特性，而InP具有更好的电响应。我们选择最终摩尔分数来最大化太阳能电池的效率。我们选择金字塔形状的增透涂层，因为它具有偏振和角度不敏感的防反射特性。之所以选择TiO2，是因为它在可见光到近红外波段具有高折射率和低消光系数，并且具有优异的化学和光稳定性。吸收层采用相互连接的双ISRR结构，克服了IV族材料和III-V族化合物超表面太阳能吸收体固有的低效率，比单ISRR结构具有更好的性能。

　　图1. (a) 基于超表面的太阳能电池的不同层的3D示意图。(b)标记不同结构参数的超表面吸收层x-y平面剖面图。

　　利用时域有限差分法和电荷求解器模拟了太阳能电池的结构。如图6所示，配置(SC-A)有一个裸露的InAsP吸收层，图6(b)-(d)显示了基于超表面吸收剂的太阳能电池(MSC)的不同变化，分别被命名为MSC-B、C和D,MSC-D是最终建议配置。此外，模拟了四种构型的光学和电学特性，得到了吸收光谱、SAE和Jsc。还模拟了所有三种MSCs以及裸吸收层变体(SC-A)的电特性，得到了短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)、开路电压(Voc)和PCE。

　　图2. (a) 基于反劈裂环谐振器的吸收器单元格的三维示意图。(b) TE和 (c) TM入射下，吸收体的反射(R)、透射(T)和吸收(A)光谱。(d)不同正极入射波下的太阳吸收效率(SAE)和理想短路电流密度(Jsc,i)，(e) TE和 (f) TM极化下随入射角的变化。

　　图5. (a) 吸收器结构顶层不同情况下的吸收光谱。(b)五种情况的顶层x-y平面示意图。(c) 根据光学模拟计算的五种情况下SAE和Jsc的值。

　　图6. (a) SCA由一个Al背反射器、三层不同掺杂构型的InAs0.25P0.75层组成，顶部为ITO电极，中间的InAsP层是吸收层。(b)以isr基吸收体为吸收层的MSC-B结构。(c) MSC-C组成，在底部InAsP层中嵌入二维Al纳米颗粒阵列，以及该层顶部基于isr的超表面。(d) MSC-D结构示意图。

　　这项工作报道了一种基于超表面吸收剂的单结薄膜太阳能电池,在传统的太阳能吸收器中使用金属纳米结构或薄膜。通过在太阳能电池的InAsP有源层中使用反向分裂环谐振器模式来缓解吸收层的问题。超表面的光学模拟表明，IV族材料和III-V族化合物太阳能吸收平台的最大理想短路电流密度十分优异。这一结果表明超表面层有能力克服吸收剂吸收效率低的缺点。传统的效率增强方法与基于超表面的吸收层相结合，在FDTD模拟中实现了接近98%的太阳能吸收效率。考虑到电模拟中不同的非理想效应，总功率转换效率达到30.87%，比之前报道的III-V型单结太阳能电池的最大PCE高6.1%。超表面太阳能电池具有前所未有的性能，将为超表面在下一代高效太阳能光伏器件中的应用开辟新的途径。

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