RESEARCH ARTICLE

Simulation study of reducing reflection losses in all-perovskite tandem solar cells through dual serrated structure  

Wenjiang Ye, Aoyue Chen, Ping Fu, Jiang Tang, Chao Chen

2025, 18(2): 9.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00153-7

Abstract: The power conversion efficiency of all-perovskite tandem solar cells is predominantly constrained by optical absorption losses, especially reflection losses. In this simulation study, we propose the optimization of a dual-interface serrated microstructure to mitigate these optical reflection losses in all-perovskite tandem solar cells. By adjusting the geometry of the periodic serrated structures at both the front interface and the back electrode, we enhance light absorption in the wide-bandgap perovskite layer and promote light scattering in the narrow-bandgap perovskite layer. The structural modification reduces the reflection-induced photocurrent density loss from 4.47 to 3.65 mA cm^-2. It is expected to boost the efficiency of all-perovskite tandem solar cells to approximately 31.13%, representing a 3.41% increase. The dual-interface optimization effectively suppresses reflection losses and improves the overall photocurrent of all-perovskite tandem solar cells. These results offer a promising strategy for minimizing optical losses and enhancing device performance in all-perovskite tandem solar cells.

研究背景​：全钙钛矿串联太阳能电池（TSCs）因其高功率转换效率（PCE）而受到广泛关注，但光学吸收损失，尤其是反射损失，限制了其效率提升。目前，全钙钛矿TSCs的最高效率为30.1%，远低于理论最大效率45%。反射损失在总能量损失中占比高达19.64%，显著影响整体性能。

​主要内容​：本文通过模拟研究提出了一种双界面锯齿形微结构的优化方案，以减少全钙钛矿TSCs中的光学反射损失。通过调整前后界面周期性锯齿结构的几何形状，增强了宽带隙钙钛矿层的光吸收，并促进了窄带隙钙钛矿层的光散射。这种结构修改将反射引起的光电流密度损失从4.47 mA/cm²降低到3.65 mA/cm²，预计将全钙钛矿TSCs的效率提升至约31.13%，增加了3.41%。

​创新点​：本研究首次提出通过双界面锯齿形微结构优化来减少全钙钛矿TSCs的反射损失。通过精确调节前锯齿结构的光学特性，优化了光入射路径，显著降低了350 nm附近的反射强度。此外，优化的后锯齿结构显著增强了光散射和衍射效应，降低了950 nm附近的反射强度。这种结构优化有效抑制了反射损失，提高了全钙钛矿TSCs的整体光电流。

​方法​：

• 光学模型建立​：基于典型全钙钛矿TSC结构，使用COMSOL Multiphysics模拟光学响应，通过求解麦克斯韦方程来确定光吸收、反射和透射等光学特性。

• 锯齿结构优化​：设计了固定周期为1 μm的前锯齿结构，并通过改变高度（H）来优化光入射路径，降低反射强度。在背电极上设计了相同的周期性​后锯齿结构，并通过改变高度（H）来优化长波长范围内的反射损失。协同优化前后锯齿高度，进一步降低反射损失并提高光电流密度。

​结果​：

• 反射损失分析​：全钙钛矿TSCs的反射损失占总光电流密度的10.84%（4.47 mA/cm²），在350 nm、550 nm、750 nm和950 nm等波长处存在显著反射峰。

• 前锯齿结构优化​：优化后的前锯齿结构（H = 400 nm）使反射强度在300-700 nm范围内降低了约5%，在700-1000 nm范围内降低了约10%，反射损失电流密度从4.47 mA/cm²降至3.77 mA/cm²，光电流密度达到16.84 mA/cm²。

• 后锯齿结构优化​：优化后的后锯齿结构（H = 400 nm）使反射强度在700-1000 nm范围内降低了约5%，反射损失电流密度从4.47 mA/cm²降至4.10 mA/cm²，窄带隙子电池的光电流密度提高到16.93 mA/cm²。

• 双锯齿结构优化​：优化后的双锯齿结构（前锯齿高度H1 = 550 nm，后锯齿高度H2 = 400 nm）使反射损失电流密度从4.47 mA/cm²降至3.65 mA/cm²，光电流密度达到16.98 mA/cm²，预计效率提升至31.13%。

​结论​：通过双界面锯齿形微结构优化，全钙钛矿TSCs的反射损失显著降低，光电流密度和效率显著提高。这种优化策略为提高全钙钛矿TSCs的性能提供了理论基础和创新设计思路。未来的研究将集中在进一步减少残余反射损失，同时确保宽带隙和窄带隙子电池之间的电流匹配，以充分发挥全钙钛矿TSCs的潜力。