太陽能電池金字塔結(jié)構(gòu)減反膜仿真設(shè)計(jì)

三江學(xué)院 張 宇 鐘佳慧 張晨芳 李 路

1.引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國面臨的共同問題，同時(shí)具有清潔、可再生優(yōu)勢的太陽能電池已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。目前市場上常用的以多晶硅太陽能電池為主，其效率理論上限為30%，目前實(shí)際效率可達(dá)到17%左右。由于太陽能電池對太陽光的反射率較高，通常會(huì)應(yīng)用減反膜以降低太陽光的反射，本文用MATLAB軟件仿真了太陽能電池表面金字塔結(jié)構(gòu)減反膜。

2.裸硅金字塔型

當(dāng)光束照射到圖一所示絨面陷光結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生第一次反射的光束會(huì)再繼續(xù)照射到相鄰金字塔結(jié)構(gòu)表面，繼而發(fā)生第二次反射，此類金字塔結(jié)構(gòu)有效的增加了光束在絨面結(jié)構(gòu)中的行進(jìn)路程,較好的減少了反射的光能損耗，如圖1所示。

圖1 金字塔減反結(jié)構(gòu)

圖2 (a)正向金字塔；(b)反向金字塔；(c)f=/2反射率對比；(d)f=/2.5反射率對比

金字塔結(jié)構(gòu)分為正向、反向兩種結(jié)構(gòu)。對兩種結(jié)構(gòu)模型參數(shù)設(shè)定為：金字塔分層L1=20，保留最大衍射級數(shù)為5，如圖2所示。

從圖2(c)、(d)得出如下結(jié)論：金字塔模型的占空比變大時(shí)，各個(gè)金字塔底邊相互緊挨時(shí)，減反射的效果較好。且無論金字塔的占空比怎樣改變，正向結(jié)構(gòu)與反向結(jié)構(gòu)的減反射趨勢沒有發(fā)生大的變化。在金字塔的參數(shù)設(shè)定為d=5，h=3.57時(shí)，反向結(jié)構(gòu)的減反射效果要略優(yōu)于正向結(jié)構(gòu)，但減反射曲線的趨勢是幾乎一致的。然而當(dāng)參數(shù)設(shè)定為d=0.5，h=0.357時(shí)，正向結(jié)構(gòu)相對反向結(jié)構(gòu)而言具有明顯的減反射優(yōu)勢，二者在入射光波長為500nm左右的時(shí)候均達(dá)到了最低反射，在其他波段二者的反射率曲線是圍繞著某一反射結(jié)果對稱分布。

圖3 (a)單層金字塔外觀圖；(b)單層金字塔截面；(c)仿真反射率與實(shí)驗(yàn)對比圖

3.金字塔加單層氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)

建立結(jié)構(gòu)如圖3(a)、(b)所示，金字塔表面有一層氮化硅薄膜。由于在較小納米級尺寸的金字塔減反射過程中，減反射效果并不是十分明顯，因此目前工業(yè)上的金字塔尺寸基本上設(shè)定在4-10um左右，因此在模擬中將金字塔尺寸設(shè)定為：底邊邊為長10um，高度為2μm，氮化硅的膜厚為150nm。假定入射光為垂直入射的自然光。在300-1200nm波長范圍內(nèi)，研究其反射特性。

分析圖3(c)可知，在排除誤差和外界若干因素的前提下，反射率曲線保持比較一致的走勢，仿真結(jié)果顯示比實(shí)驗(yàn)室測得結(jié)果的減反射效果要好，其原因可能是實(shí)驗(yàn)室測得結(jié)果受外界干擾比較多，同時(shí)模擬中考慮的仿真條件過于理想化。單層薄膜較好的減反射的原因，可以用漸變折射率理論來解釋：納米金字塔結(jié)構(gòu)本身就具有較好的減反射效果，折射率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的漸變，而在金字塔結(jié)構(gòu)表面再鍍有一層低折射率的薄膜，使得金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了材料折射率由空氣到硅片的漸變，因而具有較好的減反射效果。

由于在實(shí)際的電池表面制絨時(shí)，其表面具有大小不一的金字塔結(jié)構(gòu)，因此我們可以考慮在等比例變化下，研究其反射率的變化規(guī)律，模型的參數(shù)設(shè)定為：自然光垂直入射，分層為L1=250，L2=7，如圖4所示。

從反射率曲線可以看出d=7.07,h=5這一組的減反射效果是最佳的，入射光在300-1200nm范圍內(nèi)均具有較低的反射，相比之下的d=0.0707,h=0.5這一組的減反射效果是最差的，分析其原因：大致可認(rèn)為金字塔尺寸達(dá)到nm數(shù)量級時(shí)，造成硅片表面含金字塔結(jié)構(gòu)的減反射薄膜等效為近似裸硅情況，因此減反射效果便不再明顯。

4.結(jié)論

在金字塔型減反射薄膜中，首先研究了裸硅正向與反向金字塔不同占空比下反射的情況；然后仿真鍍單層氮化硅的金字塔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)金字塔尺寸達(dá)到納米數(shù)量級時(shí)，可造成金字塔結(jié)構(gòu)等效為近似裸硅情況，減反射效果不再明顯。太陽能電池減反膜的工作原理對于單層減反膜說，針對某一波長段。對于其它入射光反射仍然很大，可以通過不同制備工藝制成均勻膜層，鍍雙層或多層減反膜，使其更有效的提高太陽光的利用率。

[1]王學(xué)華,薛亦渝,趙利,等.新型光學(xué)薄膜研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(2):20-23.

[2]陳光華,等.納米薄膜技術(shù)與應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社,2004:11-12.

[3]盧進(jìn)軍,劉衛(wèi)國,等.光學(xué)薄膜技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[4]艾盼,劉文.太陽電池減反膜的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電,2013-02-15.