太阳电池减反射膜系统的研究

文章编号:025420096(2001)0320317205

太阳电池减反射膜系统的研究

①

王永东,崔容强,徐秀琴

(上海交通大学应用物理系太阳能研究所,上海200240)

摘　要:减反射膜系的制备对于高效空间太阳电池来说非常重要,对其进行优化设计可以大幅度地提高太阳电池的短路电流,从而提高太阳电池的光电转换效率。从波动光学的基本原理出发,用加权平均反射率作为评价膜系设计质量的参数,编制出了进行减反射膜系优化设计的计算机程序,理论上可以使太阳电池表面的加权平均反射率降到1%以下,提高了电池的短路电流。关键词:太阳电池,减反射膜,加权平均反射率中图分类号:TM615 文献标识码:A

0　引　言

投射到太阳电池阵正面的太阳能辐射通量(阳光)中,部分被该表面反射掉了,部分透射到电池内部(通过太阳电池盖片进入太阳电池),被转换为电能。通常情况下,裸硅表面的反射率相当大,可将入射太阳光的30%以上反射掉,为了最大限度地减小正面的反射损失,目前主要有两种方法,一是将电池表面腐蚀成绒面,增加光与半导体表面作用的次数,二是镀上一层或多层光学性质匹配良好的减反射膜。对空间太阳电池来说,由于其工作环境的特殊要求,为降低工作温度提高效率,应尽可能减少太阳电池对太阳光谱中红外成分的吸收,而绒面对各波段的减反射效果都很好,这样就升高了太阳电池的工作温度,不利于提高其效率。因此对空间太阳电池来说,主要是通过减反射膜系的制备来提高太阳电池的转换效率。一般来说,这类涂层极薄,其光学厚度为波长的四分之一或二分之一。单层减反射膜由于仅对单一波长具有较好的减反射效果,在空间高效太阳电池中常用的是多层减反射膜系,它可对宽谱范围内的太阳辐照产生有效的减反射效果。国内已有一些专家对其进行了理论和实践上研究[1,9]。但是在已有的膜系设计研究中,需要先选定一个中心波长λ0,然后针对此波长点进行减反射膜的优化设计,这个中心波长的选取对设计结果有很大的影响,目前都是根据经验来选取的。本文从

相干光学的基本原理出发,选取了恰当的膜系评价

函数,通过理论分析和计算机优化计算,设计出了实用的软件,可对太阳电池进行单层或多层减反射膜系进行优化设计,从理论上得到减反射膜系各层膜的最佳参数。对硅太阳电池来说,理论上在最佳参

数情况下,在0.35～1.2μm 的波长范围内,该膜系的加权平均反射率可达0.48%。

1　理论计算

1.1　反射定律

光波是一种电磁波,在分层介质中的传播是电

磁波的传播,满足麦克斯韦电磁理论。太阳电池表面的减反射膜由于其光学厚度小于相干光程,在薄膜的上下界面将产生光的干涉现象,减反射作用就是利用光的干涉效应来实现的。

在进行减反射膜的设计时,为简化计算,我们通常要作如下假定:

1)薄膜在光学上是各向同性介质对于电介质,其特性可用折射率n 表征,且为实数;对于金属和半导体,其特性可用复折射率N =n -ik 来表征,k 为消光系数。

2)两个邻接的介质用一个数学界面分开,在这

个数学分界面两边折射率发生不连续的跃变。

3)膜层的横向尺寸假定为无限大,而膜层的厚度是光的波长数量级。

当光束从折射率为N 1的介质入射到折射率为

第22卷　第3期

2001年7月

太　阳　能　学　报ACT A E NERGIAE S O LARIS SINICA

V ol 122,

N o 13

Jaln ,2001

①收稿日期:2000206221

N 2的介质时,由麦克斯韦电磁理论可得反射光与入

射光振幅之比为:

r =

η0-η1

η0+η1

(1)

式中r ———称振幅反射系数,η0和η1———为两个介质的光学导纳,其值不仅与入射角有关,而且与

E 和H 相对于入射平面的方位有关。

对于入射光中的两种偏振方向分别有:

ηp =N

cos θ

和ηs =N cos θ(2)

式中,θ———入射角,角标p 和s 分别表示光线的两

种偏振方向。

将(2)代入(1)中得:

r p =η0p -η1p η0p +η1p =

tg (θ1-θ0)tg (θ1+θ0)

r s =η0s -η1s η0s +η1s =

sin (θ1-θ0)sin (θ1+θ0)

(3)式中,θ0表示光线从折射率为N 0的介质照射到折射率为N 1的介质时的入射角,θ1表示光线在折射率为N 1的介质中传播的角度。则单一界面的能量反射率为:

R p =|r p |2

=tg 2(θ1-θ0)

tg 2

(θ1+θ0)

(4)R s =|r s |2

=sin 2(θ1-θ0)

sin 2

(θ1+θ0)

(5)

总的能量反射率为:

R =

R s +R p

2

(6)1.2　光学薄膜的理论分析

假定在折射率为n 2的基板上有一层折射率为

n 1厚度为d 1的薄膜,入射介质的折射率为n 0,平面光波照射在薄膜表面,入射角为θ0。光波在表面的上下两个界面上将发生反射和折射,如图1所示。一般情况下,薄膜的干涉是多光束干涉,各反射光在薄膜表面相互叠加的结果为[10]:

r =r +1+r +2e

-i 2δ11+r +1r +2e -i 2δ

1

(7)R =|r |2

=

r +21+r +22+2r +1r +2cos2δ1

1+r +21r +22+2r +1r +2cos2δ1

(8)

式中δ=2π

λn 1d 1cos θ1,是薄膜的位相厚度。

图1　薄膜内光线的传播

Fig.1T ransmit of light in the film

(7)式可以写成:

r =|r |e i

φ=

r +1+r +

2e

-i 2δ1

1+r +1r +2e -

i 2δ1

φ=arctg r +2(1-r +2

1)sin2δ1

r +1(1+r +22)+r +2(1+r +2

1)cos2δ1

从上面的结果我们可以看出,具有两个界面的

单层膜,可以用等价的一个界面来代替,如图2所示。

图2　单层膜的等效界面图

Fig.2Equivalence of single layer film

图中,这一等效界面的反射系数为:

P k e

i φk

=

r k +r k +1e -i 2

δk 1+r k r k +1e -

i 2δk

(9)

经过这样的处理后,我们就可以对多层膜的反

射率进行计算了,有两种方法:

方法一:从多层膜的顶层膜开始,将相邻的两个界面等效成一个界面,然后逐次通过中间层,一直计算到底层膜和基片的界面为止,求得在最后一个界

面上的振幅反射系数p k e i φk

,于是多层膜的反射率

R =p 2

k 。这个方法叫瓦施切克法。

方法二:从多层膜与基片相邻的底层膜开始,把

相邻的两个界面等效成一个界面,逐次通过中间层,

一直计算到膜系的顶层。这个方法叫鲁阿德法。

这两种方法都称为递推法,比较而言,方法二简单,便于用计算机进行计算,我们的程序中采用的就是方法二。其具体步骤是:

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13 太 阳 能 学 报 22卷