对比图2 电池的反射谱测量结果和图5b 中电池的吸收谱模拟结果发现，模拟结果多了很多很窄很强的峰。这是由于在对电池结构进行模拟时，假设了凹坑结构是有序并且周期性排列的阵列。而实际的电池结构中，凹坑并不是完全有序地进行排列。不可否认的是，模拟结果的平均效果和变化趋势同实验结果相吻合。

　　从图5 中可以看到，硅薄膜的吸收和电池总的吸收在长波长段和短波长段都出现一定偏差。短波长段的偏差来自于BZO 窗口层的额外吸收，而长波长光的吸收主要来自于Ag 薄膜。在抛光的铝片上，长波长段偏差较小，说明在平面结构上，波导模式和表面等离子体共振均不能有效激发，入射光与Ag 薄膜不会有很强的相互作用，发生在Ag 薄膜上的吸收损耗较小。在具有图形结构的电池中，硅薄膜的吸收有显著提高，在吸收带边达到了近40 倍的增强。这主要是由于硅薄膜中波导模式的增强以及同金属表面等离子体共振的耦合作用。同时值得注意的是，表面等离子体共振也同时增加了Ag 薄膜的吸收损耗。因此，通过优化器件结构，降低Ag 薄膜的吸收损耗，可进一步提高电池的有效吸收。

　　由于Ag 薄膜的吸收损耗增加，硅薄膜的吸收增强并不如电池总的吸收那么显著。然而，实际的电池中只有被硅薄膜吸收的光才能最终转化为光生电流。利用数值模拟将硅薄膜的吸收分离出来之后，就能研究图形化衬底对电池性能的实际贡献。图6 显示了500nm 图形尺寸，230nm 硅薄膜厚度下，硅薄膜吸收增强系数的模拟结果。虽然Ag 增加了额外损耗，但相比于没有图形的平面结构电池，具有图形化衬底的硅薄膜的吸收增强仍然是非常可观的。尤其是靠近硅薄膜的吸收带边时，其增强系数可以达到接近40 倍。

图 6 以图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜的吸收增强系数模拟结果

　　为进一步衡量图形化衬底对非晶硅薄膜太阳电池的作用，我们以标准太阳光谱AM1.5 为权重（300nm~800nm），计算了图形化衬底对短路电流的贡献。图7 显示了不同图形尺寸下，短路电流增强系数。可以看到，在假设光生载流子全部被收集的情况下，短路电流可以提高28%~36%。需要指出的是，计算结果中450nm或者更大尺寸的图形是较优参数，与测试结果中500nm 图形为最优参数不一致。这主要是由于模拟的模型中假设凹坑是周期性有序排列造成的。

图 7 FDTD 计算的短路电流的提高

　　结论

　　本文提出了一种以阳极氧化法制备的图形化铝片为衬底的非晶硅薄膜太阳电池。由于这种图形化的微结构所产生的光散射、波导模式的耦合以及Ag 薄膜的表面等离子体的激发，硅薄膜的光吸收有了显著的增强。数值计算结果显示在硅薄膜吸收带边，其吸收增强系数接近40 倍。利用此图形化衬底，可以将电池的短路电流提高28%至36%。本文提出的方法有望实现大面积、低成本的高效率硅基薄膜太阳电池。