太阳电池减反射膜设计与分析.pdf

第10卷 第1期2004年2月上 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.10 No.1Feb.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()与波长的关系曲线,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:ADesign and Analysis of Anti2Reflection Coating for Solar CellsYANG Wen2hua1,LI 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 theanti2reflection coatings for solar cells.Reflection curves are obtained using the program.Optimizationof several anti2reflection structures is realized by using the reflection curves.Parametersof single layer,double layer and three2layer anti2reflection coatings are designed.These theoretical parameters can beused to guide experiments.The influence of encapsulation and surface passivation on the reflectioncurves 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14:(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()与波长的关系曲线,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0,k为光学导纳.第m层的干涉矩阵为M=7mk=1Mk,其中,Mk为第k层的干涉矩阵Mk=coski(sink)/kiksinkcosk,式中,k=2nkdkcosk/(k=0,1,m)为位相厚度,k=k/coskP分量,kcoskS分量,k=0,1,m,而k可由下式逐次求出:n0sin0=nksink,k=1,2,m,m+1,一般,膜系的干涉矩阵是一个22的干涉矩阵,M=M11M12M21M22,令BC=M31m+1,则等效导纳Y=CB,对波长的光整个膜系的反射率为R()=0-Y0+Y0-Y0+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nidi(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3001 200 nm,所以只考虑波长在3001 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3001 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14).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3001 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.1Reflection as a function of thickness(single2layer,=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随波长的变化曲线Fig.2Reflection as a function of wavelength(single2layer)图3 双层膜反射率R随波长变化曲线Fig.3Reflection as a function of wavelength(double2layer)图4 三层膜反射率R随波长的变化曲线Fig.4Reflection as a function of wavelength(three2layer)图可知,双层膜材料折射率一般要满足n0n1n2n3(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随波长的变化曲线Fig.5Comparision of reflections versus wavelength betweenencapsulation andwithoutencapsulation(doublelayer)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1020 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.1The performance variations of solar cells withpassivation between antireflection coatingsand without antireflection coatingsVOC/mVISC/mAFF/%镀膜前6002350.78210.2镀膜后(优化前)6103340.78214.8镀膜后(优化后)6103410.78215.0图6 钝化层对反射曲线的影响Fig.6The 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.The surface texturization of so2lar cells:A new mitled usingV2grooves with contro2llable side2wall angles J.Solar Energy Materials andSolar Cells,1992,26(1/2):71-78.2 Zhao J,Green M A.Optimized antireflection coatingsfor high2efficiency silicon solar cells J.IEEE Transactions on Electron Devices,1991,38(8):1925-1934.3 Chakravarty B C,Vinod P N,Singh S N.Design andsimulation of antireflection coationg for application tosilicon solar cells J.Solar Energy Materials&SolarCells,2002,73(1):59-66.4 Lee S E,Choi S W,Yi J.Double2layer anti2reflectioncoating using MgF2and CeO2films on a crystallinesilicon substrate J.Thin Solid Films,2000,376:208-213.5 林永昌,卢维强.光学薄膜原理M.北京:国防工业出版社,1990.35-40.6 刘恩科,等.光电池及其应用 M.北京:科学出版社,1989.106-107.7 王履芳,陈庭金.半导体太阳电池减反射膜的最佳光学匹配J.云南师范大学学报,1992,12(2):71-74.(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.