高效硅太阳能电池减反射膜系折射率分布

ｎ ｌｓｓ ｈ ｓ ｂ ｅ ｄ ． ｈ ｅ ｔｒｆ ｃ ｉｅ ｉｄ ｘ ｓｄ ｓｒ ｕｉｎ ｏ ｏ ｔ ｇ ａ ｅ ｎｏ ｔｉ ｅ ｎ ｅｒ ｓ ｌ ｉ ｅ ｔ ｎ ｅ ａｙ ｉ ａ ｅ ｎ ｍａ ｅ Ｔ ｅ ｂ ｓ ｅ ａ ｔ ｎ ｅ ｅ ｉｔ ｂ ｔ ｆｃ ａｉ ｓｈ ｂ ｅ ｂ ａｎ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｕ ｔ ｓ ｘ ｅ ｄ ｄ ｒ ｖ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ
和把 ｍ层 连 同基 体 一 起 等效 为一 个 新 的基 体 界 面 套用 菲涅耳 公式 ， 可得 到多层 膜 的反射 系数 ｒ ：
：
最小加 权反射 率 Ｒ 随 ｎ 变化 如 图 １所 示 ， 得 的 取 最小加 权反射 率 尺 对 应 的第一层 膜 的折 射率 ／ 随 ｇ ＇ 。

对 于双 层减 反 射 膜使 用 遗传 算 法优 化 ， 当第 二 层膜 的折 射 率 ｎ 取 定 值 ， 其 他 变 量 进 行 全 局 寻 。 对 优， 总能 找到 ｎ 这一 点对应 的最优 膜 系结 构及其 对
应 的最小 加权 反射率 。当 ｎ 不 断增大 ， 化得 出 的 优
求 出反射率 。在讨论 中引人光 学 导纳 （ ） 来 分析 Ｙ 多层 光学薄 膜 的反射 性质 ， 将折 射率 为 ｎ 入射 介 质 。
第 ４ 卷 第 ６期 ｌ
２ １ 年 ６月 ０１
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ． １４１． ． Ｎｏ ６
Ｊ ｎ ． ０ｌ ｕｅ２ １
文章编号： ０ — ７ （０ １０ － ６－ １ １ ０８ ２１ ）６ ６９ ４ ０ ５ ０ ０
・ 学材 料与 薄膜 ・ 光
高效硅 太 阳能 电池减 反射 膜 系各 层膜 的折 射率 分布 规 律 为 ： 下一 层膜 的折 射率 要 大于 上 一层
膜 的折 射率 。
关键词 ： 反射膜 ； 减 遗传 算 法 ； 硅太 阳能 电池
中图分 类号 ：Ｍ６ ５ Ｔ １ 文献 标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ ．０ ８ ２ １ ．６ ０ ６ Ｏ ： ３ ６ ／ ． ｓ ．０ １５ ７ ． ０ １０ ． １ ０ ｓ
的减反 射膜 进行 了遗传 算 法优化设 计 ， 并对双 层减 反 射膜 各 层膜 折 射 率 的分 布对 膜 系减 反 射 效果 的影 响进 行 了进 一步 的数值分 析 ， 到最 优 的膜 系折 射率 分布规 律 ， 得 并推广 到 多层 减反 射 膜 。分 别设 计优 化 了常规 材料 和新 型纳 米材料 三 层减 反 射膜 ， 进 行进 一步论 证 ， 终发 现 ， 并 最
的 主要 问题 是计算 减反 射 膜 的 膜层 折 射 率 与厚 度 ， 使得 太 阳能 电池在 所工 作 的光谱 范围 内获得 最佳 的
减反射 效果 。 国内外虽 然 已经有很 多关 于太 阳能 电 池减 反射膜 的研 究 ， 并 没 有 对 各 层 膜 的折 射 卜 但
单层 减反膜 可 以利 用 光在减 反射膜 的两 侧处反
本文介 绍 了如何运 用 遗 传 算法 优 化 膜 系 ， 少 光 的 减
６０ ７
激 光 与 红 外
第 ４ 卷 １
射 光存在 相位差 的干 涉 原 理而 达 到 减 反射 效 果 ， 因
反射 率 。故将 膜 系 各 层膜 的折 射 率 ｎ 厚 度 ｄ作 为 ，
此 可直接 利 用 菲 涅 耳 公 式 求 得 反 射 率 进 行 膜 系 优
Ｒｅ ｒ ｃ ｉ ｅ ｉ ｄ ｘ ｓ ｄ ｓ ｒ ｂ ｉ ｎ ｏ ｎ ｉｒ ｆｅ ｔｏ ｏ ｔｎ ｓ ｆ ｒ ｆ ａ ｔ ｎ ｅ ｅ ｉｔ ｉ ｕｔｏ ｆａ ｔ— ｅ ｃ ｉ ｎ ｃ ａ ｉ ｇ ｏ ｖ ｌ ｈ ｇ ｆ ｃｅ ｃ ｉ ｃ ｎ ｓ ｌ ｒ ｃ ｌ ｉｈ ｅ ｉ ｉ ｎ ｙ ｓｌ ｏ ｏ ａ ｅ ｌ ｉ ｓ
各层 膜 的折射率 进 行 了数值 分 析 ， 到 双层 减 反 射 得 膜 的两层 膜折射 率分 布规 律 。并 运用 等效 分析 的原
理得 到 了高效多 层减 反射 膜各层 膜 的折射率 分布规 律， 为高效 空 间硅太 阳能 电 池减 反 射 膜 系 的制 备提
供理论 依 据 。
２ 原 理 与结论
高效 硅 太 阳能 电池 减 反 射 膜 系折 射 率 分 布
王全 志 ， 井西利 ， 马懿 恒 ， 小 宁 ， 邢 王红 翠
（ 山大 学 理 学 院 ， 燕 河北 秦 皇 岛 ０ ６ ０ ） ６０ ４
摘
要 ： 于 多层 减反 射膜 的等效 分析 原理 ， 基 结合 遗传 算 法 的全 局 寻优 的特 性 ， 硅 太 阳 电池 对
Ｒ ＝ －—————一 （） ４
ｎ 的不 断增 大 ， 求解 最 小加 权 反射 率得 到 最 优膜 系 参数 中第一 层膜 的折射 率 ｎ 又不 断减小 的趋势 ， ， 但
ｎ 大 于 ｎ ， ｎ 于 １ ７ ｎ 急 剧 减小 ， 时 ｎ 小 ， 当 ：大 ． ，｝ 此 ，
反 射 ， 对取得 最 优减 反 射 效 果 的双 层 减 反射 膜 的 并
太 阳能 电池 的光 电转化 效率 的提 高一直 是人 们
关 注的主 要问题 ， 影 响 太 阳能 电池 光 电转 化 效 率 而 的 主要 因素之一 为 入射 光 的反 射损 失 ， 而 减 反射 进
膜 的优化设 计就成 为研 究热 点之一 。设 计减 反射膜
Ａ ｂ ｔａｃ ： ｃ ｒ ｉ ｏ ｈ ｅ ｕｉａｅ ｔ ｈ ｏｙ ｆｍｕｈｉ ｙ ｒ ａ ｉｒｆｅ ｔｏ ｃ ａｉ ｇ ａ ｈ ｈ ｏ ｏ ｅ ｔ ａｇ ・ ｓ ｒ ｔ Ａｃ ｏ ｄｎｇ ｔ ｔ ｅ ｑ ｖ ｌｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｌ ｅ ｎｔ—ｅ ｃｉ ｎ ｏ ｔｎ ｓ ｎｄ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｆｇ ｎｅｉ ｌ ｏ－ ａ ｌ ｙ ｃ ｒｔ ｍｓ， ｎｔ－ｅ ｅ ｔｏ ｏ ｔｎ ｓｏ ｏａ ｅｌ ｒ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｅ ｙ ｇ ｎｅｉ ｌｏ ｔ ｍｓ Ｒｅ ｅ ｔｖ ｎ ｘ ｓｄｉ－ ｉｈ ａ ｉｒｆ ｃｉ ｎ ｃ ａ ｉｇ ｆＳｉｓ ｌｒｃ ｌ ａｅ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｎ ｌｚ ｄ ｂ ｅ ｔ ａｇ ｒ ｈ ． ｆ ｃｉｅ ｉｄｅ ｅ ｓ ｌ ｓ ｃ ｉ ｌ ｔｉ ｕ ｉｎ ｏ ａ ｈ ｌｙ ｒｏ ｏ ｂｌ・ａ ｅ ｎ ｉｒ ｆｅ ｔ ｎ ｃ ａ ｉｇｓｉｆｕ ｎ ｅ ｈ ｆｅ ｔｏ ｎ ｉｒ ｆｅ ｔｎ ｎ ｕｍｅ ｃ ｌａ・ ｒｂ ｔｏ ｆｅ ｃ ａ ｅ ｆｄ ｕ ｅ－ ｙ ｒａ ｔ・ｅ ｃｉ ｏ ｔｎ ｎ ｅ ｃ ｓｔ ｅ ｅ ｃ ｆａ ｔ・ｅ ｃｉ ｇ ａ ｄ ｎ ｌ ・ｌ ｏ ｌ －ｌ ｉ ｒ ａ ・
ｌｙ ｒＳ ａ ｅ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｔ ｒ ｆ ｃ ｉｎ ｃ ａ ｉｇ； ｅ ｅｉ ｇ ｒ ｈ ； ｉ ｃ ｎ ｓ ｌｒｃ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｉ ｅ ｅ ｔ ｏ ｔ — ｌ ｏ ｎ ｇ ｎ ｔ ａ ｏ ｉ ｍｓ ｓｌ ｏ ｏ ａ ｅ ｌ ｃｌ ｔ ｉ ｓ
１ 引 言
‘ ２
入射 光子通量 并结 合硅 材料 的内部量 子效率 来计算
整个 光谱范 围 内的加 权 平均反 射率 Ｒ ：
图 ２ 最佳折射率变化曲线
Ｆｉ ． ｂ ｓ ｅ ｒ ｃｉ ｅ ｉ ｄ ｘ ｓｃ ｒ ｅ ｇ２ ｅ ｔｒ ｆ ｔ ｎ ｅ ｅ ｕ ｖ ｓ ａ ｖ
由图 ２可 以看 出 ， 随着 双 层 膜第 二 层 膜折 射 率 Ｊ （ Ｑ（ Ｒ（ ｄ ， Ａ） Ａ） Ａ）ｈ
池要求 在较 宽 的波 长 范 围 内具 有 良好 的减 反 射 效 果 ， 得太 阳能 电池 吸 收更 多 的入 射 光 。考 虑 到硅 使
材料 的 内部量 子效 率 ， 阳能 电池 要 在 可见 光 谱 范 太
围内有 最小 的减反射 效果 。在 减反射膜 系 的优化设 计 中不仅要考 虑硅 材料 的 内部 量子效 率还要 考虑 太 阳光 的光谱特 性 ， 重 太 阳电 池对 不 同 波长 点 的光 权 的吸 收 。计算 过程 中首 先计 算 单 波 长 的点 反射 率 ，
ｎ 的变化 如 图 ２所 示 。 ，
（） １
反射率 为 ：
Ｒ：… ：１
Ｉ ｏ＋ Ｙｌ
｛
（） ２
式中， Ｙ＝Ｃ Ｂ ／ 。等效 光学导 纳特征 表达 式如 下 ：
直 ［ ｉ
¨】㈩
ｎ２
式 中， ＂ Ａ，８ ６ ＝２ｒ ｄ／ ２ 为相 邻 两 相 干光 束 的位 相 ｒ ｎ
ｉｇ ｏ ｉｈ ｅｆ ｉ ｎ ｙ ｓｌ ｏ ｏａ ｅｌ ｓｔ ａ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｉ ｄ ｘ ｓｏ ｗ ｒｌｙ ｒｓ ｏ ｌ ｅ ｂ ｇ ｅ ａ ｅｈ ｇ ｅ ｎ ｓ ｆｒｈ ｇ ｆ ｃ ｅ ｃ ｉ ｃ ｎ ｓ ｌｒｃ ｌ ｉ ｈ ｔ ｅ ｒ ｆ ｃｉ ｎ ｅ ｅ ｆｌ ｅ ａ ｅ ｈ ｕｄ ｂ ｉｇ ｒｔ ｎ ｔ ｉｈ ｒ ｉ ｉ ｓ ｔ ｒ ｖ ｏ ｈ ｈ
ＷＡ Ｇ Ｑ ａ —ｈ，Ｉ Ｇ Ｘ— ， ｉ ｅｇ Ｘ Ｎ ｉ —ｉｇ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ －ｕ Ｎ ｕ ｎｚｉＪＮ ｉｉＭＡ Ｙ－ ｎ ， Ｉ Ｇ Ｘ ａ ｎｎ ， Ｎ ｏ ｇｃ ｉ ｌ ｈ ｏ
（ ｏ ｅｅｏ ＳｉｎｅＹ ｎＳ ａ ｎｖｒｔ， ｉｈ ａｇａ ６０ ４ Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｃｅｃ ， ａ ｈｎＵ ｉ ｓ ｙＱ ｎｕｎ ｄｏ ６０ ， ｈ ） ｌ ｅｉ ０ ｎ
ｔ ｌｉａ ｅ ｎｔ—ｅ ｅ ｔｏ ｏ ｔｎｇ ． ｏ ｍｕｔｌ ｙ ｒａ ｉｒｆ ｃ ｉｎ ｃ ａ ｉ ｓ Ｔｈｅｔｉｌ ｙ ｒｎ ｗ ａ ｏ ｔｒａ ｄ ｎ ｒ ａ ｔ ｒａｓａ ｔ－ｅ ｅ ｔｏ ｏ ｔｎ ｓ ａｅ ｄ － ｌ ｒ—ａ ｅ ｅ ｎ ｎ ｍｅｅ ｎ ｏｍ ｌｍａ ｅ ｌ ｎ ｉｒｆ ｃｉ ｎ ｃ ａ ｉｇ ｒ ｅ ｉ ｌ ｓｇｎ ｄ ａ ｄ ａ ａｙ ｅ ｅ ｐ ｃ ｉｅｙ Ｔｈｅ ｒｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔａ ｈｅ ｂ ｓ ｅ ａ ｔｖ ｎ ｅ ｅ ｓｒｂｕｉ ｎ ｏ ｎ ｉｒ ｆｅ ｔ ｎ ｃ ａｔ ｉ ｅ ｎ ｎ ｌｚ ｄ ｒ ｓ ｅ ｔｖ ｌ． ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｔｒ ｆ ｃｉ ｅ ｉ ｄ ｘ ｓｄｉｔｉ ｔｏ ｆａ ｔ・ｅ ｃｉ ｏ ・ ｒ ｌ ｏ
化 。而在 多层膜 系 的讨 论 中将 膜 系等效 为一个新 的
寻优变量。通过多次迭代遗传算法最终能得到最优
膜 系结 构 。
基 体套用 菲涅 尔公式 进行分 析计算 。在 多层膜 系 中 任取一层 ， 把上 面各层 等效 为一个 界面 ， 把下 面各层
等效 为一 个 界 面 ， 整 个 系 统 等 效 为 一 个 单 层 膜 。 则 这样就 可 以求 出整 个 膜 系 的等效 菲涅 耳 系数 ， 而 从
作者 简 介 ： 全 志 （９ ５一） 男 ， 士 研 究 生 ， 要 研 究 方 向 为 王 １８ ， 硕 主 太 阳 能 电池 优 化 。Ｅ ｍ ｉ ｗ ｎｑ ａｚｉ８ １６ ｃｒ － ａ ：ａ ｇｕｎｈ５ ＠ ２ ．ｏ ｌ ｎ 收 稿 日期 ：０ ４１０ ２ １ ）－６ １
率分 布规律对 反射 率 的影响做 过详 细 、 系统 的讨论 。
差 。以上 给 出的公式 为垂直 人射 的情况 。
太 阳光 分 布在 一个 较 大 的波 长 范 围 ， 太 阳 电 对
图 １ 最ｄ，ｔ ￣ｌ 权反射率曲线
Ｆ ｇ １ ｂ ｓ ｗｅ ｇ ｔｄ ｒ ｆ ｃ ａ ｃ ｕ ｖ ｓ ｉ． ｅｔ ｉｈ ｅ ｅ ｌ ｔｎ ｅ ｃ ｒｅ ｅ