非晶硅太阳电池减反射膜的设计
2012-01-06 17:39:009326
摘要：基于非晶硅太阳电池的工作原理，对其减反射膜进行研究．根据四分之一波长作用原理得到反射率最小时的厚度优化参数．单层减反射膜选用ITO( n=2.0，d=75 nm)，加权平均反射率为5．91％．双层膜选用MgF2／ITO，厚度分别为111nrn和75 m ，加权平均反射率为3．72％．此外，还作出反射率随波长的变化曲线，并通过计算仿真结果进行比较说明如何选材：对于单层减反射膜，采用折射率小的材料能取得更好的效果，而对于双层减反射膜，采用折射率上低下高形式，能取得更好的效果．
相对于晶体硅太阳电池而言，非晶硅太阳电池具有对可见光的吸收强、价格低廉、高温性能好以及能量回收周期短等优点．它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的光电器件，其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，主要取决于2个方面，首先是太阳电池对入射光的吸收率，对于裸硅太阳电池，当光入射到电池表面时约有三分之一的光被反射，从而使得电池对入射光的吸收减少；其次是半导体材料本身的性质对于效率的影响．文中研究如何减少电池表面对光的反射，以提高太阳电池开路电压，短路电流，填充因子等各方面的电性能．
对于非晶硅太阳电池表面的透明导电膜既作为电池的上电极收集载流子，又可以当作减反射膜以降低太阳光在电池表面的反射，而透明导电膜材料的选择以及厚度的大小直接影响着光在电池表面的反射，因此有必要对透明导电膜进行优化设计，以得到最小的反射率．此外，还将研究在透明导电膜上再制备单层或双层减反射膜对入射光反射率的影响．对于不同材料、不同膜层数的减反射系统，设计其最佳厚度．文中将在深入研究非晶硅太阳电池原理的基础上，通过计算机仿真得到电池反射率最低时膜系的各个最佳参数．
1原理
1．1减反射膜的四分之一波长原理
如图1所示，从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者．
由单个波长点反射率、入射光子通量、硅材料的内部量子效率，可计算出在整个光谱范围内的加权平均反射率为
式中，F(λ)为人射光子通量，公式为
式中，V为该波长光的相对视敏度；P为其辐射功率．Q(λ)为硅的内部量子效率，由图2得到；R(λ)为减反射膜在对应波长点的反射率，由式(1)、式(2)得到；λ1、λ2为光谱波长上下限，λ1=350 nm、λ2=1 120 nm．加权平均透射率为Tw=1-Rw．
加权平均反射率可给出整个波长范围内平均反射率的具体值，由加权平均反射率值可以很准确地判断出膜系在硅的光谱响应范围内总的减反射效果．
2减反射膜设计分析
在以下的讨论中取中心波长为600nm，变化曲线的波长单位为nrn．
2．1单层透明导电膜
在单层透明导电膜的情况下，一般选择ITO(n=2.0)和SnO2(n =2.09)作为透明导电电极，根据四分之一波长原理，其厚度分别为75nm和72nm．
2．2透明导电膜+单层减反射膜
一般情况下减反射膜材料为MgF2(n=1．35)、Si02(n=1．46)、Al2O3(n=1．9)、Ti02(n=2．3)，透明导电膜的材料为ITO(n =2．0)和SnO7(n=2．09)．
为了说明问题，首先选择2种组合，即MgF2／ITO(d=111 nm、75 nIn)，Ti02／ITO(d=65nm、75nm)，它们的反射率随波长的变化曲线如图4．从图4中可以看出，在光谱响应范围内，透明导电膜与低折射率减反射膜的组合比低折射率透明导电膜加高折射率减反射膜的效果好．上面两种组合的加权平均反射率分别为3.72％ 和30.53％，由此可见，MgF2／ITO明显优于TiO2／ITO．
比较图3与图4可知，在两层膜的情况下，在很大的波长范围内都有较小的反射率，而单层膜只在单个波长点附近有较小的反射率．
再看另外两种情况，Si02／ITO(d=103nm、75nm)和MgF2／ITO(d=111nm、75nm)，反射率随波长的变化曲线如图5所示，在300～450nm和900～1500nm范围内，Si02／ITO优于MgF2／ITO；而在450~900nm范围内，MgF2／ITO明显优于SiO2／ITO．经过计算，siO2／ITO的加权平均反射率为5.57％，而MgF2／ITO的加权平均反射率为3.72％，可见在相同情况下减反射膜材料的折射率低一些效果会更好．
综上得到如下结论，即设计两层膜的时候，选择材料应遵循两层膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些的原则．
2．3透明导电膜+双层减反射膜
在此设计了两种三层膜系，MgF2／SiO2／ITO和Sio2／MgF2／ITO，透明导电膜始终不变，只是交换两种减反射膜的位置，MgF2、Si02、ITO的厚度分别为111、103、75 nrn．运行后的图形如图6，计算其加权平均反射率分别为7.26％和11．63％，可见MgF2／SiO2／ITO的组合要优于SiO2／MgF2／ITO．
可得如下结论，如果要设计单层透明导电膜加两层减反射膜的结构，两种减反射膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些，这样能取得更好的减反射效果．
3结束语
就如何设计非晶硅太阳电池减反射膜的最优参数问题进行计算机仿真，并讨论了几种应用广泛的减反射膜材料的优化设计．在整个非晶硅的光谱响应范围内，对于单层透明导电膜，折射率小的材料如ITO的反射效果更好，对于两层膜的情况，在可见光谱范围内，在透明导电膜上加上一层比其折射率低的减反射膜，这样的组合会比低折射率的透明导电膜加上一层高折射率的减反射膜的效果好，并且在一一定范围内，膜层越多效果越好。
相对于晶体硅太阳电池而言，非晶硅太阳电池具有对可见光的吸收强、价格低廉、高温性能好以及能量回收周期短等优点．它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的光电器件，其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，主要取决于2个方面，首先是太阳电池对入射光的吸收率，对于裸硅太阳电池，当光入射到电池表面时约有三分之一的光被反射，从而使得电池对入射光的吸收减少；其次是半导体材料本身的性质对于效率的影响．文中研究如何减少电池表面对光的反射，以提高太阳电池开路电压，短路电流，填充因子等各方面的电性能．
对于非晶硅太阳电池表面的透明导电膜既作为电池的上电极收集载流子，又可以当作减反射膜以降低太阳光在电池表面的反射，而透明导电膜材料的选择以及厚度的大小直接影响着光在电池表面的反射，因此有必要对透明导电膜进行优化设计，以得到最小的反射率．此外，还将研究在透明导电膜上再制备单层或双层减反射膜对入射光反射率的影响．对于不同材料、不同膜层数的减反射系统，设计其最佳厚度．文中将在深入研究非晶硅太阳电池原理的基础上，通过计算机仿真得到电池反射率最低时膜系的各个最佳参数．
1原理
1．1减反射膜的四分之一波长原理
如图1所示，从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者．
其中，不同层的折射率r1
由单个波长点反射率、入射光子通量、硅材料的内部量子效率，可计算出在整个光谱范围内的加权平均反射率为
式中，F(λ)为人射光子通量，公式为
式中，V为该波长光的相对视敏度；P为其辐射功率．Q(λ)为硅的内部量子效率，由图2得到；R(λ)为减反射膜在对应波长点的反射率，由式(1)、式(2)得到；λ1、λ2为光谱波长上下限，λ1=350 nm、λ2=1 120 nm．加权平均透射率为Tw=1-Rw．
加权平均反射率可给出整个波长范围内平均反射率的具体值，由加权平均反射率值可以很准确地判断出膜系在硅的光谱响应范围内总的减反射效果．
2减反射膜设计分析
在以下的讨论中取中心波长为600nm，变化曲线的波长单位为nrn．
2．1单层透明导电膜
在单层透明导电膜的情况下，一般选择ITO(n=2.0)和SnO2(n =2.09)作为透明导电电极，根据四分之一波长原理，其厚度分别为75nm和72nm．
2．2透明导电膜+单层减反射膜
一般情况下减反射膜材料为MgF2(n=1．35)、Si02(n=1．46)、Al2O3(n=1．9)、Ti02(n=2．3)，透明导电膜的材料为ITO(n =2．0)和SnO7(n=2．09)．
为了说明问题，首先选择2种组合，即MgF2／ITO(d=111 nm、75 nIn)，Ti02／ITO(d=65nm、75nm)，它们的反射率随波长的变化曲线如图4．从图4中可以看出，在光谱响应范围内，透明导电膜与低折射率减反射膜的组合比低折射率透明导电膜加高折射率减反射膜的效果好．上面两种组合的加权平均反射率分别为3.72％ 和30.53％，由此可见，MgF2／ITO明显优于TiO2／ITO．
比较图3与图4可知，在两层膜的情况下，在很大的波长范围内都有较小的反射率，而单层膜只在单个波长点附近有较小的反射率．
再看另外两种情况，Si02／ITO(d=103nm、75nm)和MgF2／ITO(d=111nm、75nm)，反射率随波长的变化曲线如图5所示，在300～450nm和900～1500nm范围内，Si02／ITO优于MgF2／ITO；而在450~900nm范围内，MgF2／ITO明显优于SiO2／ITO．经过计算，siO2／ITO的加权平均反射率为5.57％，而MgF2／ITO的加权平均反射率为3.72％，可见在相同情况下减反射膜材料的折射率低一些效果会更好．
综上得到如下结论，即设计两层膜的时候，选择材料应遵循两层膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些的原则．
2．3透明导电膜+双层减反射膜
在此设计了两种三层膜系，MgF2／SiO2／ITO和Sio2／MgF2／ITO，透明导电膜始终不变，只是交换两种减反射膜的位置，MgF2、Si02、ITO的厚度分别为111、103、75 nrn．运行后的图形如图6，计算其加权平均反射率分别为7.26％和11．63％，可见MgF2／SiO2／ITO的组合要优于SiO2／MgF2／ITO．
可得如下结论，如果要设计单层透明导电膜加两层减反射膜的结构，两种减反射膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些，这样能取得更好的减反射效果．
3结束语
就如何设计非晶硅太阳电池减反射膜的最优参数问题进行计算机仿真，并讨论了几种应用广泛的减反射膜材料的优化设计．在整个非晶硅的光谱响应范围内，对于单层透明导电膜，折射率小的材料如ITO的反射效果更好，对于两层膜的情况，在可见光谱范围内，在透明导电膜上加上一层比其折射率低的减反射膜，这样的组合会比低折射率的透明导电膜加上一层高折射率的减反射膜的效果好，并且在一一定范围内，膜层越多效果越好。
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