太阳电池减反射膜设计与分析

第 10 卷 第 1 期 2004 年 2 月 上 海 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NA TURAL SCIENCE) Vol. 10 No. 1 Feb. 2004 收稿日期 :2003206208 作者简介 :杨文华 (1979～ ) ,男 ,安徽芜湖人 ,硕士生 ,主要从事半导体光电器件方面的研究 . 文章编号 :100722861 (2004) 0120039204 太阳电池减反射膜设计与分析 杨文华 1 , 李红波 2 , 吴鼎祥 1 (1. 上海大学 理学院 ,上海 200436 ; 2.上海空间电源研究所 ,上海 200233) 摘要 : 根据光学薄膜原理 ,利用计算机程序对太阳电池减反射膜进行模拟仿真 ,得到反射率 R (λ ) 与波长 λ 的关系 曲线 ,并利用曲线对减反射膜进行优化 . 设计出几种常用材料制备单、双、三层减反射膜时的最佳膜系参数 ,为太阳 电池减反射膜的制备提供理论依据 . 分析了电池封装和电池表面钝化对反射曲线的影响 ,并验证了实验结果 . 关键词 : 太阳电池 ; 减反射膜 ; 反射率曲线 中图分类号 : TN 305 文献标识码 : A Design and Analysis of Anti2Reflection Coating for Solar Cells YAN G Wen2hua1 , L I Hong2bo2 , WU Ding2xiang1 (1. School of Sciences , Shanghai University , Shanghai 200436 , China ; 2. Shanghai Space Power Institute , Shanghai 200233 , China) Abstract : According to the theory of optical films , a computer program is developed to simulate the anti2reflection coatings for solar cells. Reflection curves are obtained using the program. Optimization of several anti2reflection structures is realized by using the reflection curves. Parameters of single layer , double layer and three2layer anti2reflection coatings are designed. These theoretical parameters can be used to guide experiments. The influence of encapsulation and surface passivation on the reflection curves is discussed , and theoretical reflection curves have verified the experimental results. Key words : solar cells ; anti2reflection coatings ; reflection curves 太阳电池是把光能转换为电能的光电子器件 . 它的光电转换效率定义为总输出功率与入射到太阳 电池表面的太阳光总功率的比值 . 为提高电池的光 电转换效率 ,应减少电池表面光的反射损失 ,增加光 的透射 . 目前主要采用两种方法 \[1～ 4 \]: (1) 将电池表 面腐蚀成绒面 ,增加光在电池表面的入射次数 ; (2) 在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射 膜 .减反射膜的设计直接影响着太阳电池对入射光 的反射率 ,对太阳电池效率的提高起着非常重要的 作用 . 本文将以硅太阳电池为例 ,根据光学薄膜原 理 \[5 \],对硅太阳电池减反射膜进行计算机仿真模 拟 ,模拟出反射率 R (λ ) 与波长 λ 的关系曲线 ,并利 用太阳光谱和硅的光谱响应 \[6 \]选定中心波长对曲 线进行优化 ,得到反射最小时的最佳膜系参数 ,为高 效硅太阳电池减反射膜的制备提供了理论上的指 导 . 文中还给了出几种常用的减反射膜材料制备单、 双、三层膜时的膜系参数 ,并对太阳电池封装和太阳 电池表面钝化对反射率变化曲线的影响进行了讨 论 ,应用到实际生产中 ,取得了较好的效果 . 1 原 理 单层减反射膜是利用光在减反射膜的两侧处反 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 射光存在位相差的干涉原理而达到减反射效果 ,可 利用菲涅耳公式求得反射率 . 对于多层膜系 ,可以用 一个等效界面来表示 ,只要求得等效导纳 Y ,就可 以求得膜系的反射率 . 反射率 R 的计算方法如下 : 已知 m 层膜系的各层膜材料的折射率和厚度 分别为 nk , dk ( k = 1 ,2 , …… , m ) ,入射介质和电池 基底材料折射率分别为 n0 、 nm + 1 ,光波入射角 θ 0 , η k 为光学导纳 . 第 m 层的干涉矩阵为 M = 7 m k = 1 M k , 其中 , M k 为第 k 层的干涉矩阵 M k = cosδ k i (sin δ k) /η k iη k sin δ k cosδ k , 式中 ,δ k = 2π nk dk cosθ k/λ ( k = 0 ,1 , …… , m) 为 位相厚度 , η k = η k/ cosθ k P 分量 ,η k cosθ k S 分量 , k = 0 ,1 , …… , m , 而 θ k 可由下式逐次求出 : n0 sinθ 0 = nk sinθ k , k = 1 ,2 , …… , m , m + 1 , 一般 ,膜系的干涉矩阵是一个 2 × 2 的干涉矩阵 , M = M 11 M 12 M 21 M 22 , 令 BC = M 3 1η m + 1 , 则等效导纳 Y = CB ,对波长 λ 的光整个膜系的反射 率为 R (λ ) = η 0 - Yη 0 + Y η 0 - Y η 0 + Y . 膜系的反射率 R 取决于上面的膜系参数 . 一般 情况下 ,入射角和入射光光谱分布是已知的 ,因此膜 系的反射率可通过调整层数 m 和各层膜的光学厚 度 ni di ( i = 1 ,2 , … , k) 来得到最佳的反射率曲线 . 在设计中 ,为简化设计的复杂性 ,作了以下的基 本假定 : (1)由于硅的吸收系数较小 ,可忽略消光系 数的影响 \[7 \]; (2)把材料的折射率看作是恒定值 ,不 随波长变化 ,即忽略材料的色散效应 ; (3) 只考虑了 入射光垂直入射到电池表面的情况 . 由于硅的光谱 响应范围为 300～ 1 200 nm ,所以只考虑波长在 300 ～ 1 200 nm范围的光的减反射 . 为了使硅能够吸收 更多的光子 ,并将这些光能转换为电能 ,我们在设计 时尽量使有最小反射率的光的波长接近电池材料的 光谱响应峰值 ,同时也要兼顾太阳光的光谱特性 . 我 们考虑了太阳光谱及硅的光谱响应 ,把 550 nm确定 为中心波长 ,欲使反射率最小 ,就要使在中心波长 550 nm 附近的光反射率尽可能的小 ,同时还要兼顾 在 300～ 1 200 nm 范围内其它波长点光的减反射 , 以使得在此波长范围内光的整体反射率达到最小 . 2 模拟及实验结果 2. 1 在空气中反射率的变化曲线 以 MgF2 ( n = 1. 38) 、 SiO2 ( n = 1. 46) 、 Al2O3 ( n = 1. 9) 、 TiO2 ( n = 2. 3) 材料为例 ,由计算机仿真得 到在空气中的反射率变化曲线 (图 1～ 4) . 由图 1 可 以看出 ,波长一定时 ,随着厚度的变化反射率 R 也 有较大的变化 ,折射率大的材料的反射率对厚度的 变化更敏感 ,而折射率小的材料对厚度变化的依赖 性要小一点 . 对于不同的材料 ,都有一个最佳的厚度 值 ,对应着最小的反射率 . 由图 2 可以看出 ,对于单 层膜 ,采用 Al2O3 ( n = 1. 9) ,厚度 d = 72 nm时 ,减反 射效果比较好 . 但仅仅对中心波长附近的光的减反 射效果较好 ,对远离中心波长的光的减反射效果不 太理想 ,不能在电池的光谱响应的最大波长范围内 降低反射率 . 图 3 为 4 种双层减反射膜的反射曲线 . 比较图 2、 3 可以看出 ,优化后的双层膜在很大的波 长范围内都有较小的反射率 ,在 300～ 1 200 nm 波 长范围内 ,双层膜比单层膜的减反射效果要好 . 此 外 ,还设计了几种三层膜系 (如图 4) . 由图可见 ,三 层减反射膜在较宽波长范围内有较低的反射率 ,与 单层膜相比 ,三层膜系也有较好的减反射效果 . 由上 图 1 单层膜反射率 R 随膜厚 d 的变化曲线 ( 波长 为 550 nm) Fig. 1 Reflection as a function of thickness ( single2 layer ,λ = 550 nm) 04 上 海 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 10 卷 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 2 单层膜反射率 R 随波长 λ 的变化曲线 Fig. 2 Reflection as a function of wavelength ( single2layer) 图 3 双层膜反射率 R 随波长 λ 变化曲线 Fig. 3 Reflection as a function of wavelength ( double2layer) 图 4 三层膜反射率 R 随波长 λ 的变化曲线 Fig. 4 Reflection as a function of wavelength ( three2layer) 图可知 ,双层膜材料折射率一般要满足 n0 n1 n2 n3 ( n0 、 n3 分别为入射介质折射率 、基底折射率 , n1 、 n2 分别为双层膜材料的折射率 )关系时 ,才会有 较好的减射效果 . 对于三层膜系 ,与基底相邻的材料 的厚度较小时 ,会取得较好的减反射效果 . 2. 2 封装后的反射率曲线的变化 一般情况下 ,电池都要在封装后使用 . 封装后 , 与减反射膜相邻的入射介质为玻璃和减反射膜之间 的硅胶 ( n = 1. 43) ,这时反射率曲线将发生变化 . 这 里分别给出了 SiO2/ TiO2 双层膜系在电池封装前后 的反射率曲线的变化 (如图 5) . 显然 ,封装后 SiO2/ TiO2 双层膜的反射曲线和单层膜的反射曲线比较 相似 ,只在中心波长点附近有较低的反射率 ,不能在 整个波长范围内降低反射率 ,减反射效果不太理想 . 这是因为第一层膜 SiO2 的折射率与入射介质硅胶 的折射率相当 ,这使得该双层膜退化为近似的单层 膜 .因此 ,考虑封装后 ,双层膜的第一层的折射率应 远大于硅胶的折射率 ,第二层的折射率也应该增大 , 才会有较好的减反射效果 . 结合现有的减反射膜材 料 ,我们分别采用了 MgO ( n = 1. 74) 、 CeO2 ( n = 2. 4)作为双层膜的顶层和底层材料 . 考虑封装进行 优化 ,得到了 MgO ( 80 nm) / CeO2 (60 nm) 双层膜 系 ,反射曲线如图 5. 显然 ,与 SiO2/ TiO2 双层膜相 比 ,优化后的 MgO (80 nm) / CeO2 (60 nm) 双层膜反 射曲线更为理想 ,在整个硅的光谱响应范围内有较 好的减反射效果 . 图 5 封装前、后双层膜反射率 R 随波长 λ 的变化曲线 Fig. 5 Comparision of reflections versus wavelength between encapsulation and without encapsulation ( double layer) 2. 3 钝化层对反射率曲线的影响 大多数太阳电池都进行表面钝化 ,在电池基底 和减反射膜之间有一层 10～ 20 nm厚的钝化层 ,因 此原先设计的 SiO2/ TiO2 双层减反射膜难以达到预 14 第 1 期 杨文华 ,等 :太阳电池减反射膜设计与分析 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 定的减反射效果 . 针对这一现象 ,对原来的减反射膜 系进行了优化 . 实验发现 ,适当降低第二层 TiO2 厚 度时 ,减反射效果得到改善 . 表 1 为经上海空间电源 研究所测试的镀膜前、后及考虑钝化层优化后太阳 电池电性能的变化 . 由表 1 可看出 ,与镀膜前相比 , 分别镀上两种参数的减反射膜后 ,开路电压提高了 1. 7 % ,短路电流 ISC分别提高了 42. 1 %、 45. 1 % ,效 率 η 分别提高了 45 %、 47 %. 考虑钝化层后设计的 膜系与没考虑钝化层设计的膜系相比 ,电池的短路 电流 ISC提高了 2. 1 % ,效率 η 提高了 1. 4 %. 表 1 有钝化层时减反射膜优化前后电池电性能的变化 Tab. 1 The performance variations of solar cells with passivation between antireflection coatings and without antireflection coatings V OC/ mV ISC/ mA FF η / % 镀膜前 600 235 0. 782 10. 2 镀膜后 (优化前 ) 610 334 0. 782 14. 8 镀膜后 (优化后 ) 610 341 0. 782 15. 0 图 6 钝化层对反射曲线的影响 Fig. 6 The influence of passivation on reflection 根据这一实验结果 ,我们利用计算机程序对有 钝化层电池的减反射膜重新进行了理论上的优化设 计 ,可以把双层减反射膜看作是三层膜 (钝化层为膜 系的第三层 )重新进行设计 ,调整原先的双层膜膜系 参数 ,这与一般的三层膜设计的不同在于第三层膜 的参数 (折射率 n、厚度 d) 已经确定 . 设计中 ,根据 所测电池的实际情况 ,钝化层取为 SiO2 ( n = 1. 46 , d = 15 nm) ,故原来的 SiO2/ TiO2 双层膜变为 SiO2/ TiO2/ SiO2 (15 nm) 三层膜 . 图 6 中曲线 a 为 SiO2 (94 nm) / TiO2 (60 nm)双层膜应用在无钝化层的电 池上的反射率曲线 . 对于有钝化层的电池 , SiO2 (94 nm) / TiO2 ( 60 nm) 双层膜实际上变为 SiO2 (94 nm) / TiO2 (60 nm) / SiO2 (15 nm) 三层膜 ,此时 反射率曲线为曲线 b ,显然 ,减反射效果不太理想 . 于是我们改变了原来的 SiO2/ TiO2 双层膜的参数得 到 SiO2 (94 nm) / TiO2 (40 nm) / SiO2 (15 nm) 三层 膜曲线 c. 由曲线 b、 c 可以看出 ,当把第二层膜 TiO2 厚度由 60 nm降低到 40 nm时 ,反射率有所下降 . 这 与实验中的适当降低第二层膜厚度会改善减反射效 果的结果一致 . 3 结 论 本文对硅太阳电池减反射膜进行了优化设计 . 利用计算机对硅太阳电池的减反射膜进行了仿真模 拟 ,根据反射率曲线得到了最佳的减反射膜膜系参 数 ,解决了封装和钝化层对减反射膜的影响 . 考虑封 装后 ,优化得到 MgO (80 nm) / CeO2 (60 nm) 双层减 反射膜有较好的减反射效果 . 有钝化层时 ,把 SiO2/ TiO2 双层减反射膜看作 SiO2/ TiO2/ SiO2 (15 nm) 三 层减反射膜重新进行优化设计 ,给出了优化的膜系 参数 ,为实验结果提供了理论的依据 . 此外 ,本文所 设计的程序和减反射膜的优化设计方法 ,对于其它 材料的太阳电池也是适用的 . 参考文献 : \[ 1 \] Pierre Vcrlinden , et al . 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(编辑 :陈海清 ) 24 上 海 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 10 卷 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.