四結太陽電池I-V測試用濾光片設計

薛 超，孫 強，張啟明，郭宏亮

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

星用空間電池主要為多結Ⅲ-V 化合物電池，從最初的單結GaAs、雙結GaAs/Ge 和三結InGaP/GaAs/Ge 發展到四結太陽電池。太陽電池電性能中最重要的參數是光電轉換效率，能否被準確測量對于航天飛行器太陽電池陣的設計非常重要。在地面通常采用人造光源(氙燈、冷光燈、LED 燈、鹵素燈等)來模擬太陽光，即采用太陽模擬器，進行太陽電池電性能測試。然而，人造光源的光譜相比于太陽光譜有很大的差異。例如，氙燈在近紅外端具有很高的強度，鹵鎢燈在藍紫光區域相對較弱。單純依靠人造光源來模擬太陽光譜會產生很大的誤差。為了準確測量太陽電池光電轉換效率，太陽模擬器一般通過在光路中添加適當的濾光片進行光譜調整。為了達到方便調整太陽模擬器光譜的目的，目前較為常用的方法[1-2]是通過單一濾波片反射掉多余的光子，使得濾波后的光譜接近AM0 或AM1.5G。該濾波片能夠過濾掉氙燈的近紅外波段，從而減小了近紅外對電池測試造成的誤差。該方法可以用于硅、CIGS 等單結電池測試，但是未能滿足多結電池的測試要求。這是因為多結電池對光譜的要求更為精細。例如，對于GaInP/GaAs/Ge 晶格匹配三結電池，需要同時調整380～660 nm 和660～880 nm 兩個波段的強度才能獲得準確的I-V 曲線和轉換效率，單一濾波片顯然無法滿足這一要求。而目前尚處于研發中的具有更高效率的四結電池則需要四個濾波片。因此，在本文中將開展帶通和帶阻濾波片設計，以滿足未來四結電池(InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.57Ga0.43As)測試需求。

1 濾光片的設計原理及薄膜材料的選擇

在襯底上沉積光學厚度為1/4 λ0的單層膜，由于入射介質與薄膜界面產生的反射光和薄膜與襯底界面產生的反射光同相位，形成相長干涉，使得反射光增大。對于垂直入射的情況，中心波長λ0處的反射率R為[3]：

式中：n0為入射介質的折射率；nH為薄膜的折射率；ng為襯底的折射率。

假設總共沉積2s+1 層，每層的光學厚度均為λ0/4。對于空氣中垂直入射的情況，中心波長λ0的導納為[3]：

λ0處的反射率具有極大值[3]：

因此，高低折射率交替蒸鍍的膜層數越多，nH與nL的比值越大，則反射率越高。除了反射率以外，高反射區域的帶寬也是濾光片設計時需要重點考慮的因素。高反射帶寬Δλ由式(4)(5)確定[3]：

式中：n為反射帶的級次；λ0處的高反射帶寬為(Δλ)1。

這說明高反射帶寬Δλ 與膜層的數量無關，主要和高低折射率的比值、中心波長以及反射帶的級次有關。λ0和nH/nL值越大，帶寬Δλ 越寬。對于四結太陽電池IV 測試用的濾光片，考慮到截止波段非常寬，因此選擇的高折射率材料的折射率盡量大，低折射率材料的折射率盡量小。

從式(3)可以看出，理論上只要不斷增加膜層，反射率會無限接近100%。但是由于薄膜存在著吸收等原因，達到一定層數后，隨著膜層的增加，反射率反而會降低。通常用消光系數k來表示薄膜的吸收損耗。因此除了對折射率的要求以外，選擇薄膜材料的原則總是使透過區域的透明度盡可能高，表現在材料參數上就是消光系數盡可能小。影響材料消光系數大小的因素很多，依據材料的結構，多晶結構因為吸收散射較大，消光系數較大，無定形其次，單晶結構最小。除此之外消光系數還與材料的折射率、化學計量的穩定性以及雜質有關。一般情況下，高折射率材料在可見光區域消光系數要大于低折射率材料，易分解的氧化物材料的消光系數要大于氟化物材料。

對于空間四結太陽電池IV 測試用濾光片，其截止帶非常寬，整個膜系通常達到上百層甚至幾百層，厚度達到幾十微米。膜層過多時需要考慮膜層內應力對整個膜系的影響，應力過大會導致薄膜開裂。因此盡量選擇熱膨脹系數相近的材料，最好高低折射率材料內應力性質相反，一個張應力，一個壓應力，從而降低整個膜系的累積應力。

綜合考慮各種因素與相互關系，在此高折射率材料選擇硫化鋅，低折射率材料選擇氟化鎂。ZnS 與MgF2材料的特性如表1 所示。

表1 ZnS、MgF2 薄膜材料特性[4]

2 濾光片的設計

目前晶格失配四結電池結構為InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.57Ga0.43As 太陽電池，各材料對應的禁帶寬度分別為1.9 eV/1.4 eV/1.0 eV/0.7 eV。對應子電池的光譜響應譜段分別為：300～650 nm/650～900 nm/900～1 240 nm/1 240～1 800 nm。考慮到多結太陽電池中，相鄰子電池光譜響應范圍的部分波段相互交叉，設計的譜段范圍涵蓋子電池光譜響應極值點的50%以上即可。

太陽模擬器按照光源數量可以分為多光源和單光源兩種類型。對于單光源太陽模擬器而言，調節光譜比較理想的方案是采用濾波片組，由一系列帶通濾光片和帶阻濾光片組成，通過帶通/帶阻濾光片增強/減弱相應波段的光強。對于多光源太陽模擬器，只需為通過每個光源配上對應的帶通濾光片，調節對應光譜的燈的功率來進行光譜調節。本文依據兩類模擬器可能用到的帶通或帶阻濾光片開展設計，以豐富不同的光譜調整方案。

采用光學薄膜軟件Essential Macleod 進行設計，根據在太陽模擬器中的實際工作情況，入射介質為空氣，入射角為0°。輸入初始膜系表達式和優化目標，采用共軛梯度算法(conjugate gradient，CG)，對各層厚度進行優化。

2.1 0.7 eV 子電池譜段調整用帶通濾光片設計

0.7 eV 子電池對應的是300～1 240 nm 為高反射帶，1 240～1 800 nm 為高透過帶的長波通濾光片。長波通濾光片的經典膜系表達式為A/(0.5HL0.5H)^n/G，其中H代表光學厚度為1/4 λ0的高折射率材料，L代表光學厚度為1/4 λ0的低折射率材料，n代表循環迭代的次數，A代表入射介質空氣，G代表基底材料玻璃。如上文所述，H為ZnS，L為MgF2。

因為截止譜段的邊界為1 240 nm，首先取高反射區域的中心波長λ0=1 045 nm，圖1 是n分別為5、10 和15 時膜堆的透過率曲線，為了獲得陡峭的膜系特性，選擇n=15。然而由圖可知，盡管在900～1 240 nm 具有較低的透過率，在400～900 nm 區間則透過率較高。因此需要繼續在原結構上增加高反射帶增強400～900 nm 區間的反射。擴展高反射區帶寬的一般方法是通過不同中心波長的兩個對稱膜堆進行疊加，膜系表達式為A/a(0.5HL0.5H)^n(0.5HL0.5H)^n/G，其中a為新增膜堆的中心波長與原膜堆中心波長的比值，在設計時應使兩個膜堆的高反射帶相接。

圖1 不同n 值下膜堆的透過率曲線

通過上述方法將高反射帶擴展到300 nm，透過率曲線如圖2。

圖2 長波通濾光片透過率曲線

盡管該方案可以實現1 240～1 800 nm 高透過率，300～1 240 nm 高反射率的目標，但是在1 240～1 400 區間卻存在著很多波紋(干涉峰)，這些干涉峰使透過率下降，會嚴重影響濾光片的質量。抑制波紋的一種常用方法是將整個膜堆看成具有等效折射率的單一材料，在膜堆的兩側分別加鍍一些薄層膜系，這些薄層起到減反射的作用，減少入射介質與膜堆以及膜堆與基底之間的反射率。設定優化目標(300～1 240 nm，透過率＜1%；1 240～1 800 nm，透過率＞95%)，通過共軛梯度算法優化整個膜系厚度，透過率曲線如圖3，可以看到高透過帶的波紋得到很好的抑制。

圖3 優化后長波通濾光片透過率曲線

2.2 1.0 和1.4 eV 子電池譜段調整用帶通濾光片設計

1.0 eV 子電池對應的是900～1 240 nm 為高透過帶，300～900 nm、1 240～1 800 nm 為高反射帶的帶通濾光片。帶通濾光片可以看成是一個長波通膜堆和一個短波通膜堆疊加在一起組合而成[5]。

取中心波長λ0=750 nm，使長波通高反射帶的邊界點為900 nm，如圖4(a)所示。短波通濾光片的經典膜系表達式為A/(0.5LH0.5L)^n/G，取中心波長為1.96 λ0，使得高反射帶的邊界點為1 240 nm。

將長波通和短波通膜堆相疊加并拓展高反射帶，并按上文的方法進行優化，得到透過率曲線如圖4(d)所示。

圖4 900～1 240 nm 帶通濾光片透過率

與1.0 eV 子電池對應的帶通濾光片的設計相似，1.4 eV子電池對應的是650～900 nm 為高透過帶，300～650 nm、900～1 800 nm 為高反射帶的帶通濾光片。取長波通膜堆的中心波長λ0=550 nm，使高反射帶的邊界點為650 nm，短波通膜堆的中心波長取1.95 λ0，使高反射帶的邊界點為900 nm。按照上文的方法優化后650～900 nm 帶通濾光片透過率曲線如圖5。

圖5 650～900 nm 帶通濾光片透過率

2.3 1.9 eV 子電池譜段調整用帶通濾光片設計

1.9 eV 子電池對應的是300～650 nm 為高透過帶，650～1 800 nm 為高反射帶的短波通濾光片。這類濾光片設計的難點是長波段的高反射帶會在短波區域產生次級高反射帶，嚴重影響短波區域的透過率。

消除次級高反射帶的一種非常有效的方法是采用折射率漸變的非均勻層，但制備工藝非常困難。另一種是選擇折射率逐漸變化的多種材料組成的膜堆來簡化，再通過軟件優化計算，也能取得較好的消除效果。初始的膜堆表達式為(ABCDCBA)^n A。A、B、C、D代表的材料如表2，選擇材料時要充分考慮300 nm 短波附近的吸收情況，不能選用ZnS、TiO 等吸收系數大的材料。中心波長λ0=450 nm，(ABCDCBA)^15A膜堆的透過率曲線如圖6 所示，次反射帶得到明顯抑制。因此，以此膜堆為基礎，令λ0=225 nm，1.9 eV 子電池譜段對應的帶通濾光片優化后的透過率曲線如圖6 所示。

表2 材料參數

圖6 300～650 nm 帶通濾光片

2.4 帶阻濾光片設計

帶阻濾光片主要是由各膜層厚度為1/4 λ0的膜堆形成高反射帶，其設計的難點是同時消除高反射帶兩側的波紋和次高反射帶。與帶通濾光片的設計相似，消除波紋的方法是基于等效折射率概念[6]，在主膜系的兩邊安置一個相同的減反射膜系以消除帶通內的波紋。消除次高反射帶的方法是采用折射率依次變化的膜堆作為基礎膜堆進行優化。設計的帶阻濾光片的透過率曲線如圖7。

圖7 帶阻濾光片

3 討論

設計的最終目的是為了制備和應用，其結果需要結合四結太陽電池測試的實際需求，以及薄膜的制備工藝進行討論。

四結太陽電池測試用濾光片通常達到一百多層甚至幾百層，給薄膜制備帶來了很大的難度。在實際設計濾光片時，在滿足光譜調整要求的前提下，應盡量放松濾光特性中上升、下降沿的要求，或者適當降低阻帶的反射率和通帶的透過率，或適當縮短設計的濾光片譜段。例如1.9 eV 頂電池，考慮到300～350 nm 的光譜響應較低，也可以只針對350～1 800 nm 譜段進行濾光片設計。

在實際鍍膜工藝中，膜系里的材料種類越多，越難保證每層薄膜的質量和光學厚度。因為材料的沉積或生長受基底的影響較大，不斷變換的膜層材料相當于基底在不斷更替，這對需要精確控制厚度的薄膜沉積工藝帶來巨大挑戰。因此設計時盡量選擇兩種薄膜材料。對于采用多種材料設計的膜系，可以采用等效折射率[7]的方法，替換成統一的高低兩種折射率材料。利用三層組合HLH 合成具有特定要求的折射率和相位厚度的膜層[8]。其缺點是不僅會增加膜層的數量，而且會有很多厚度非常薄，工藝難以控制的薄層。另一種方法是混合膜法，蒸鍍前將兩種材料按照一定的比例混合，可以獲得介于兩者之間任意折射率的材料，同時還能改善膜層的特性[9]。

厚度誤差是鍍膜工藝中不可避免的客觀存在，對整個膜系的質量有非常大的影響。目前的工藝水平可以將每層誤差控制在1%～2%。設計時對膜系開展誤差模擬分析，可以提前判斷設計的濾光片在加工后能否滿足要求。以650～900 nm 帶通濾光片為例，假設每層厚度存在1%的隨機誤差，隨機模擬10 次，其結果如圖8(a)所示。從圖中可以看出，10次模擬的濾光片特征曲線，坡度都非常陡峭，譜段偏移很小，通帶區間絕大部分波段的透過率達到了90%，滿足測試用濾光片的使用需求。當誤差在2%時，透過率降低到了80%，濾光片制備后的使用效果會相對較差[圖8(b)]。

圖8 濾光片設計的誤差分析(10次模擬結果)

4 結論

基于光學薄膜理論，借助計算機軟件，設計了針對四結太陽電池IV 測試用濾光片。設計的濾光片包括帶通和帶阻兩種類型，其譜段與四個子電池的光譜響應區間匹配。在太陽模擬器光譜調整的過程中，應根據實際測試的需要，選擇帶通/帶阻濾光片來增強/減弱對應譜段的光強。在設計過程中還需要結合實際工藝情況，包括鍍膜時間、材料復雜程度、膜厚控制精度等。當各層膜的厚度誤差控制在1%以內的時候，設計的濾光片滿足測試需求。