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        太陽能電池金字塔結(jié)構(gòu)減反膜仿真設(shè)計(jì)

        2014-03-16 05:51:34三江學(xué)院鐘佳慧張晨芳
        電子世界 2014年7期
        關(guān)鍵詞:氮化硅單層金字塔

        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(shì)的太陽能電池已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。目前市場(chǎng)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(duì)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(duì)比;(d)f=/2.5反射率對(duì)比

        金字塔結(jié)構(gòu)分為正向、反向兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)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(jí)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(shì)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(shì)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(duì)反向結(jié)構(gòu)而言具有明顯的減反射優(yōu)勢(shì),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(duì)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(duì)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(jí)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(shì),仿真結(jié)果顯示比實(shí)驗(yàn)室測(cè)得結(jié)果的減反射效果要好,其原因可能是實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(jí)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(jí)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(duì)于單層減反膜說,針對(duì)某一波長段。對(duì)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.

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