用于彩色屋顶光伏的光谱和角度控制的共振超构光栅

摘要： 我们设计了半透明超晶格超胞结构，通过调控入射光的频谱与方向性，实现具有定制化角度外观的光伏应用。该超胞的基本单元是宽度110-120纳米、高度175纳米的硅纳米线，在λ=650纳米波长附近呈现强米氏共振。通过将共振米氏散射体排列成间距递增（675-1300纳米）的超晶格结构，我们可在选定角度范围内形成类朗伯体散射分布。采用电子束光刻和反应离子刻蚀工艺制备的毫米级超表面，在共振波长处几乎完全抑制镜面反射，同时将10%的入射光散射至30-75°角度范围，从而在该特定角度区间呈现鲜红色外观。蓝光、绿光及近红外非共振光则高效透过超表面并被底层光伏电池吸收。集成该超晶格超胞的硅异质结太阳能电池，其外量子效率下降范围与共振散射光谱区间相匹配。由于共振散射效应、高折射率基底反射及硅纳米线吸收的综合作用，短路电流降低了13%。除实现具有定制化角度外观的高效彩色光伏器件外，该超晶格概念还可应用于光伏及其他光电器件的多种光管理设计。