宋冠宇， 涂潔磊， 徐曉壯， 顏平遠， 張煒楠， 孫曉宇， 周照藝， 鄭杰

(云南師范大學 云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南 昆明 650500)

1 引 言

高效GaAs基太陽電池發(fā)展迅速，是滿足未來能源需求的重要途徑之一[1-4]，且目前已知的四結(jié)GaAs太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率可達到45%以上[5-7].有報道指出，減少菲涅爾反射及最大化利用太陽光譜可以進一步提高GaAs基太陽電池的性能，因此減反射膜(ARC)的設(shè)計與使用是必要的[8-11]，但是在保證平均反射率盡可能低的情況下實現(xiàn)對近紅外波段的有效減反對減反射膜的設(shè)計提出了一個嚴峻的挑戰(zhàn).其中，美國Emcore公司2010年為四結(jié)IMM太陽電池設(shè)計與制備的TiO2/Al2O3雙層減反射膜難以實現(xiàn)更寬波段的有效減反，從而限制了電池效率的進一步提升[12].因此，有必要引入低折射率材料構(gòu)成多層減反射膜以期實現(xiàn)對更寬波段的減反.Valdivia等人基于300-1 800 nm太陽光譜仿真設(shè)計了性能優(yōu)良的ZnS/Al2O3/MgF2三層減反射膜，可有效提高多結(jié)電池的短路電流[13].Aiken模擬設(shè)計的TiO2/Al2O3/TiO2/Al2O3四層減反射膜減反效果與三層相當，但對厚度較為敏感[14].由于介質(zhì)薄膜種類繁多，膜系結(jié)構(gòu)不一，有必要通過理論計算確立理想的膜系結(jié)構(gòu)，本文通過理論計算探索用于四結(jié)GaAs太陽電池的寬光譜理想減反射膜，并探索膜層折射率和厚度對反射譜的影響規(guī)律，為該三層減反射膜的制備及其在四結(jié)GaAs太陽電池上的應用奠定一定的基礎(chǔ).

2 原理與設(shè)計

2.1 減反射膜原理

假設(shè)入射光是從空氣中垂直入射，僅考慮入射光在每個界面上的單次反射，所有結(jié)果同時適用于入射光中的p偏振分量和s偏振分量.本文選取中心波長λ0=580 nm，若不加說明，文中出現(xiàn)的折射率均指波長為580 nm處的數(shù)值.

為方便理論設(shè)計，忽略薄膜的表面粗糙度和界面處所存在的復雜性.假設(shè)介質(zhì)與介質(zhì)間的界面為菲涅爾界面，則根據(jù)導納矩陣法[15]，多層薄膜的反射率大小僅取決于每層薄膜的折射率和厚度.

計算反射率時，由光學薄膜特征矩陣[16]

(1)

得到各波長下k層薄膜的組合導納

(2)

薄膜的總反射率為

(3)

2.2 理想減反射膜設(shè)計

根據(jù)薄膜光學理論，對于在高折射率基片上設(shè)計的寬帶減反射膜，可以采用多層減反射膜系，一般采用遞減法設(shè)計，即設(shè)計膜層折射率從基片向入射介質(zhì)呈梯形遞減的多層膜，其設(shè)計規(guī)則為[17]：

(1)各層膜的光學厚度滿足

(4)

(2)規(guī)定各層膜的折射率滿足

ng>nk>nk-1>…>n2>n1>n0

(5)

其中k為膜系的層數(shù)，膜層折射率從基片向入射介質(zhì)逐步遞減.

(3)膜層的折射率若滿足

(6)

則可在k個波長上實現(xiàn)零反射，k個零反射點的位置分別為

(7)

如圖1所示，將三層減反射膜從入射介質(zhì)向襯底分別稱為膜層1、2、3，折射率分別用n1、n2、n3表示；窗口層稱為膜層4，折射率用n4表示；襯底折射率用ng表示.在中心波長處，確定襯底(GaAs)折射率ng和窗口層(AlInP)折射率n4分別為3.94和3.00.計算可得,當n1=1.32,n2=1.74,n3=2.28時，襯底、窗口層和減反射層折射率匹配較為良好.由式(7)算出四個零反射點分別在波長λ1=362 nm、λ2=483 nm、λ3=725 nm、λ4=1 450 nm處.由此原理設(shè)計的λ0/4～λ0/4～λ0/4～λ0/4膜系引入了四個零反射點，四個零反射點降低了其附近波長處的反射率，改善了反射譜，起到了在更寬光譜范圍內(nèi)有效減反射的效果.

圖1 三層減反射膜結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 減反射膜系性能及厚度

圖2 減反射膜系的反射譜

表1 各反射極小值點對應波長及平均反射率

實際制備的各膜層材料折射率n1，n2，n3，n4和厚度d1，d2，d3，d4往往和理論數(shù)值有所偏差，折射率n1，n2，n3，n4偏差影響式(4)和式(6)的成立，厚度d1，d2，d3，d4的偏差影響了式(4)的成立，而式(4)和式(6)的成立與否又直接影響了理論計算結(jié)果.因此，有必要研究折射率和厚度對反射譜的影響.

3.2 各膜層折射率偏差對的影響

3.3 各膜層厚度偏差對的影響

圖3 各膜層折射率偏差對平均反射率的影響 圖4 各膜層厚度偏差對平均反射率的影響

Fig.3EffectofrefractiveindexdeviationofeachFig.4Effectofthicknessdeviationofeach

filmonaveragereflectancefilmonaveragereflectance

4 結(jié) 論

為減小四結(jié)GaAs太陽電池的反射損失，通過理論計算設(shè)計了一種折射率成比例遞減、厚度為λ0/4的寬光譜三層減反射膜.通過TFCalc軟件模擬研究結(jié)果表明：

(1)當窗口層(AlInP)厚度為48.63 nm，三層減反射膜折射率和厚度分別為2.28、1.74、1.32和63.60、83.33、109.85 nm時減反射效果最佳；在350-1 800 nm寬光譜范圍內(nèi)，平均反射率為1.82%，且分別在384 nm、505 nm、716 nm和1 406 nm波長附近取得四個反射率極小值.