王進(jìn)福， 張國(guó)富， 王芳， 李娥， 張蕊， 彭柳軍

(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南榕耀新能源有限公司，云南 昆明 650228；3.國(guó)家電力投資集團(tuán),北京 100036)

為了提高晶體硅太陽(yáng)電池的發(fā)電效率，減反射技術(shù)必不可少；減反射技術(shù)包括兩個(gè)方面，一是利用制絨技術(shù)，將太陽(yáng)電池的表面腐蝕成絨面，增大太陽(yáng)光與電池表面間相互作用的時(shí)間和次數(shù)[1-2]；二是在硅太陽(yáng)電池表面制備一層或多層具有較好光學(xué)性能的減反射層.在過去幾十年里，許多研究人員采用不同的方法和材料來制備不同的減反射膜，并對(duì)制備的減反膜減反效果影響因素進(jìn)行分析[3-6].當(dāng)前，常用的減反射膜主要包括ZnS、TiO2、SiO2、MgF2和SiN等[7]，其中，ZnS具有良好的機(jī)械性能和光學(xué)性能，一直是光電系統(tǒng)中經(jīng)常選擇的寬帶隙材料，特別是在紅外波段器件中應(yīng)用尤為廣泛；MgF2相較于其他材料有較低的折射率(n=1.38)，本身具有良好的熱穩(wěn)定性，并且在120～8 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的透射率，在紫外波段光學(xué)薄膜中具有很大的應(yīng)用價(jià)值.由此，選擇ZnS和MgF2材料作為晶體硅太陽(yáng)電池的減反射膜,將λ=550 nm作為中心波段，利用TFCalc薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池ZnS/MgF2雙層膜系進(jìn)行分析模擬，得出太陽(yáng)電池有效反射率Re最小時(shí)膜厚的最優(yōu)理論設(shè)計(jì)值，同時(shí)對(duì)雙層減反膜有效反射率Re的影響因素(各層膜厚、折射率和光入射角)進(jìn)行分析，為今后實(shí)際生產(chǎn)制備ZnS/MgF2雙層減反射膜提供理論指導(dǎo).

1 原理

式中，2δk為兩個(gè)相鄰相干入射光束的相位差，δk=2πnkdk/λ,nk表示減反膜的折射率，dk表示膜層厚度，ns表示基底折射率，λ表示光波的波長(zhǎng).從而可得減反射膜的有效反射率[9]為

其中，F(xiàn)(λ)表示入射光子數(shù)的分布；R(λ)表示在一個(gè)相應(yīng)波長(zhǎng)λ處的反射率R；λ0和λg為模擬太陽(yáng)光波長(zhǎng)的上限和下限.

MgF2ZnSns

在ZnS/MgF2雙層膜系結(jié)構(gòu)圖中，ns為基底折射率.計(jì)算時(shí)，ZnS和MgF2光學(xué)常數(shù)可以從光學(xué)常數(shù)手冊(cè)中獲得[10].

2 計(jì)算結(jié)果與分析

使用TFCalc薄膜設(shè)計(jì)分析軟件，深入討論了各層膜厚、折射率和光入射角對(duì)ZnS/MgF2雙層膜系有效反射率的影響.

選取入射光為模擬太陽(yáng)光，建立圖1所示的模型，依次導(dǎo)入Si、ZnS和MgF2的光學(xué)常數(shù)(折射率和消光系數(shù))，并在軟件中選擇單點(diǎn)優(yōu)化模式進(jìn)行優(yōu)化，得出ZnS和MgF2的最佳物理厚度分別為67.86 nm和119.14 nm，最小有效反射率Remin=3.37%.優(yōu)化后的反射率曲線如圖2所示，在380～1 200 nm波段內(nèi)，ZnS/MgF2雙層膜系的反射率明顯低于無減反射膜時(shí)的反射率，平均反射率相差31.82%，且雙層膜系在550 nm和850 nm波長(zhǎng)附近獲得反射率的最小值，平均反射率小于1%，在整個(gè)波段中有較佳的減反射作用.

圖2 有無減反射膜時(shí)的反射率對(duì)比曲線

2.1 單層薄膜厚度對(duì)雙層膜系Re的影響

在380～1 200 nm波段內(nèi)，對(duì)ZnS和MgF2單層膜厚進(jìn)行改變，連續(xù)增大和減小10 nm，膜厚變化對(duì)有效反射率Re的影響如圖3.在整個(gè)波段內(nèi)，ZnS膜厚變化導(dǎo)致Re波動(dòng)的范圍最大，最高Re和最低Re相差5.14%.MgF2膜厚變化導(dǎo)致Re波動(dòng)的范圍較小，約有2.86%的波動(dòng).所以，在實(shí)際應(yīng)用過程中，必須控制好各層膜厚，尤其是折射率較大的ZnS厚度誤差.

圖3 ZnS和MgF2薄膜厚度對(duì)有效反射率的影響

2.2 單層薄膜折射率對(duì)雙層膜系Re的影響

在380～1 200 nm波段內(nèi)，對(duì)ZnS和MgF2各層折射率進(jìn)行改變，連續(xù)增大或減小0.1，折射率變化對(duì)有效反射率Re的影響可以見圖4，兩條曲線的交點(diǎn)為ZnS和MgF2各層折射率的理論設(shè)計(jì)值(n1=2.38，n2=1.38).MgF2折射率變化導(dǎo)致Re波動(dòng)的范圍相比于ZnS較大，Re隨MgF2折射率的變化有約6.73%的波動(dòng)，而隨ZnS折射率的變化只有約1.59%的波動(dòng).當(dāng)各層折射率在理論值的基礎(chǔ)上不斷增大時(shí),Re隨ZnS折射率的增加而增加,但是Re隨MgF2折射率增大時(shí)，在0.1變化范圍內(nèi)會(huì)有0.31%的降低，然后逐漸增大.當(dāng)各層折射率在理論值的基礎(chǔ)上降低時(shí)，Re隨ZnS和MgF2折射率的增大而增大.所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過降低MgF2的折射率來獲得較低的Re.

圖4 ZnS和MgF2折射率對(duì)有效反射率的影響曲線

2.3 其他誤差對(duì)雙層膜系Re的影響

在實(shí)際理論計(jì)算過程中，ZnS和MgF2的消光系數(shù)應(yīng)加以限制，使其保持一個(gè)最小值，這樣對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確性影響較小.通過TFCalc分析得出，將ZnS和MgF2的消光系數(shù)加以控制，不發(fā)生大幅度的改變時(shí)，雙層膜系有效反射率Re在380～1 200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的變化幅值是可以忽略不計(jì)的.

在380～1 200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，ZnS/MgF2雙層膜系光入射角增大到10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，此時(shí)圖5中曲線表示光入射角度對(duì)有效反射率Re的影響.從曲線圖中能夠看出，在增大光入射角后，在入射角0～30°范圍內(nèi)Re波動(dòng)較小，約為0.18%，在30°～50°范圍內(nèi)緩慢增加，增幅約為1.74%.入射角在50°～80°范圍內(nèi)，Re急劇上升，增幅為33.81%.

圖5 光入射角對(duì)有效反射率的影響曲線

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際進(jìn)行鍍膜的過程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件(例如氧氣含量、基底溫度及沉積速度等)會(huì)直接影響到薄膜的光學(xué)參數(shù)，為了充分實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的理論模擬，并為實(shí)際開發(fā)過程中相關(guān)技術(shù)工作的有效性提供指導(dǎo)，利用TFCalc軟件對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池ZnS/MgF2雙層減反射膜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在有效反射率Re最小時(shí)給出了最佳的厚度和反射曲線，同時(shí)分析雙層膜系各層厚度、折射率和入射角對(duì)Re的影響.結(jié)果表明：(1)當(dāng)ZnS和MgF2的最佳物理厚度分別為67.86nm和119.14nm時(shí)，在參考波長(zhǎng)550nm處可取得最小有效反射率為3.37%；(2)折射率較高的ZnS的厚度對(duì)Re的影響大于MgF2，在減反射膜制備中，如能精確控制膜層厚度，保持實(shí)際厚度與理論計(jì)算值一致，有利于獲得最佳的減反射效果.(3)適當(dāng)?shù)卦龃驧gF2的折射率，可以得到更低的Re.