太陽(yáng)電池減反射膜的仿真與優(yōu)化

太陽(yáng)電池減反射膜的仿真與優(yōu)化

太陽(yáng)電池是一種能將光能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電光器的光電能。它的光轉(zhuǎn)換效率將總輸出與太陽(yáng)電池表面總光照強(qiáng)度的比率。為了提高電池的光轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)減少電池表面的光反射損失，增加光的入射率?，F(xiàn)在主要采用兩種方法：（1）將電池表面腐蝕成毛面，并增加光在電池表面的入射次數(shù)；（2）在電池表面上刻制一層或多層光學(xué)材料的減反射膜，直接影響太陽(yáng)電池對(duì)入射光的反射率，對(duì)提高太陽(yáng)電池的效率起到了非常重要的作用。在這項(xiàng)工作中，我們以硅太陽(yáng)電池為例，根據(jù)光學(xué)薄膜原理，模擬模擬計(jì)算機(jī)模擬硅太陽(yáng)電池減反射膜，模擬反射率r（）與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，并選擇最小反射參數(shù)。我們?yōu)楦咝Ч杼?yáng)電池減反射膜的制備提供了理論指導(dǎo)。本文提供了幾種常用的減反射膜材料制備單、雙、三層膜的膜系參數(shù)，討論了太陽(yáng)電池封閉液和太陽(yáng)電池表面活性劑對(duì)反射率變化曲線的影響，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1膜系反射率曲線的基本假設(shè)單層減反射膜是利用光在減反射膜的兩側(cè)處反射光存在位相差的干涉原理而達(dá)到減反射效果,可利用菲涅耳公式求得反射率.對(duì)于多層膜系,可以用一個(gè)等效界面來(lái)表示,只要求得等效導(dǎo)納Y,就可以求得膜系的反射率.反射率R的計(jì)算方法如下:已知m層膜系的各層膜材料的折射率和厚度分別為nk,dk(k=1,2,……,m),入射介質(zhì)和電池基底材料折射率分別為n0、nm+1,光波入射角θ0,ηk為光學(xué)導(dǎo)納.第m層的干涉矩陣為M=∏k=1mMk?Μ=∏k=1mΜk?其中,Mk為第k層的干涉矩陣Mk=[cosδkiηksinδki(sinδk)/ηkcosδk]?Μk=[cosδki(sinδk)/ηkiηksinδkcosδk]?式中,δk=2πnkdkcosθk/λ(k=0,1,……,m)為位相厚度,ηk={ηk/cosθkP分量?ηkcosθkS分量?k=0,1,??,m?ηk={ηk/cosθkΡ分量?ηkcosθkS分量?k=0,1,??,m?而θk可由下式逐次求出:n0sinθ0=nksinθk?k=1?2????m,m+1?n0sinθ0=nksinθk?k=1?2????m,m+1?一般,膜系的干涉矩陣是一個(gè)2×2的干涉矩陣,M=[M11M21M12M22]?Μ=[Μ11Μ12Μ21Μ22]?令[BC]=M?[1ηm+1][BC]=Μ*[1ηm+1],則等效導(dǎo)納Y=CBY=CB,對(duì)波長(zhǎng)λ的光整個(gè)膜系的反射率為R(λ)=(η0?Yη0+Y)(η0?Yˉˉˉˉˉˉˉˉˉη0+Y).R(λ)=(η0-Yη0+Y)(η0-Yˉη0+Y).膜系的反射率R取決于上面的膜系參數(shù).一般情況下,入射角和入射光光譜分布是已知的,因此膜系的反射率可通過(guò)調(diào)整層數(shù)m和各層膜的光學(xué)厚度nidi(i=1,2,…,k)來(lái)得到最佳的反射率曲線.在設(shè)計(jì)中,為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,作了以下的基本假定:(1)由于硅的吸收系數(shù)較小,可忽略消光系數(shù)的影響;(2)把材料的折射率看作是恒定值,不隨波長(zhǎng)變化,即忽略材料的色散效應(yīng);(3)只考慮了入射光垂直入射到電池表面的情況.由于硅的光譜響應(yīng)范圍為300~1200nm,所以只考慮波長(zhǎng)在300~1200nm范圍的光的減反射.為了使硅能夠吸收更多的光子,并將這些光能轉(zhuǎn)換為電能,我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)盡量使有最小反射率的光的波長(zhǎng)接近電池材料的光譜響應(yīng)峰值,同時(shí)也要兼顧太陽(yáng)光的光譜特性.我們考慮了太陽(yáng)光譜及硅的光譜響應(yīng),把550nm確定為中心波長(zhǎng),欲使反射率最小,就要使在中心波長(zhǎng)550nm附近的光反射率盡可能的小,同時(shí)還要兼顧在300~1200nm范圍內(nèi)其它波長(zhǎng)點(diǎn)光的減反射,以使得在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的整體反射率達(dá)到最小.2結(jié)果的模擬和實(shí)驗(yàn)2.1雙層減反射膜的比較以MgF2(n=1.38)、SiO2(n=1.46)、Al2O3(n=1.9)、TiO2(n=2.3)材料為例,由計(jì)算機(jī)仿真得到在空氣中的反射率變化曲線(圖1~4).由圖1可以看出,波長(zhǎng)一定時(shí),隨著厚度的變化反射率R也有較大的變化,折射率大的材料的反射率對(duì)厚度的變化更敏感,而折射率小的材料對(duì)厚度變化的依賴性要小一點(diǎn).對(duì)于不同的材料,都有一個(gè)最佳的厚度值,對(duì)應(yīng)著最小的反射率.由圖2可以看出,對(duì)于單層膜,采用Al2O3(n=1.9),厚度d=72nm時(shí),減反射效果比較好.但僅僅對(duì)中心波長(zhǎng)附近的光的減反射效果較好,對(duì)遠(yuǎn)離中心波長(zhǎng)的光的減反射效果不太理想,不能在電池的光譜響應(yīng)的最大波長(zhǎng)范圍內(nèi)降低反射率.圖3為4種雙層減反射膜的反射曲線.比較圖2、3可以看出,優(yōu)化后的雙層膜在很大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有較小的反射率,在300~1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),雙層膜比單層膜的減反射效果要好.此外,還設(shè)計(jì)了幾種三層膜系(如圖4).由圖可見(jiàn),三層減反射膜在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較低的反射率,與單層膜相比,三層膜系也有較好的減反射效果.由上圖可知,雙層膜材料折射率一般要滿足n0<n1<n2<n3(n0、n3分別為入射介質(zhì)折射率、基底折射率,n1、n2分別為雙層膜材料的折射率)關(guān)系時(shí),才會(huì)有較好的減射效果.對(duì)于三層膜系,與基底相鄰的材料的厚度較小時(shí),會(huì)取得較好的減反射效果.2.2mgo/ceo260nm雙層膜的反射曲線一般情況下,電池都要在封裝后使用.封裝后,與減反射膜相鄰的入射介質(zhì)為玻璃和減反射膜之間的硅膠(n=1.43),這時(shí)反射率曲線將發(fā)生變化.這里分別給出了SiO2/TiO2雙層膜系在電池封裝前后的反射率曲線的變化(如圖5).顯然,封裝后SiO2/TiO2雙層膜的反射曲線和單層膜的反射曲線比較相似,只在中心波長(zhǎng)點(diǎn)附近有較低的反射率,不能在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)降低反射率,減反射效果不太理想.這是因?yàn)榈谝粚幽iO2的折射率與入射介質(zhì)硅膠的折射率相當(dāng),這使得該雙層膜退化為近似的單層膜.因此,考慮封裝后,雙層膜的第一層的折射率應(yīng)遠(yuǎn)大于硅膠的折射率,第二層的折射率也應(yīng)該增大,才會(huì)有較好的減反射效果.結(jié)合現(xiàn)有的減反射膜材料,我們分別采用了MgO(n=1.74)、CeO2(n=2.4)作為雙層膜的頂層和底層材料.考慮封裝進(jìn)行優(yōu)化,得到了MgO(80nm)/CeO2(60nm)雙層膜系,反射曲線如圖5.顯然,與SiO2/TiO2雙層膜相比,優(yōu)化后的MgO(80nm)/CeO2(60nm)雙層膜反射曲線更為理想,在整個(gè)硅的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)有較好的減反射效果.2.3有氯化層電池的減反射反射率與效率大多數(shù)太陽(yáng)電池都進(jìn)行表面鈍化,在電池基底和減反射膜之間有一層10~20nm厚的鈍化層,因此原先設(shè)計(jì)的SiO2/TiO2雙層減反射膜難以達(dá)到預(yù)定的減反射效果.針對(duì)這一現(xiàn)象,對(duì)原來(lái)的減反射膜系進(jìn)行了優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適當(dāng)降低第二層TiO2厚度時(shí),減反射效果得到改善.表1為經(jīng)上?？臻g電源研究所測(cè)試的鍍膜前、后及考慮鈍化層優(yōu)化后太陽(yáng)電池電性能的變化.由表1可看出,與鍍膜前相比,分別鍍上兩種參數(shù)的減反射膜后,開(kāi)路電壓提高了1.7%,短路電流ISC分別提高了42.1%、45.1%,效率η分別提高了45%、47%.考慮鈍化層后設(shè)計(jì)的膜系與沒(méi)考慮鈍化層設(shè)計(jì)的膜系相比,電池的短路電流ISC提高了2.1%,效率η提高了1.4%.根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們利用計(jì)算機(jī)程序?qū)τ锈g化層電池的減反射膜重新進(jìn)行了理論上的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以把雙層減反射膜看作是三層膜(鈍化層為膜系的第三層)重新進(jìn)行設(shè)計(jì),調(diào)整原先的雙層膜膜系參數(shù),這與一般的三層膜設(shè)計(jì)的不同在于第三層膜的參數(shù)(折射率n、厚度d)已經(jīng)確定.設(shè)計(jì)中,根據(jù)所測(cè)電池的實(shí)際情況,鈍化層取為SiO2(n=1.46,d=15nm),故原來(lái)的SiO2/TiO2雙層膜變?yōu)镾iO2/TiO2/SiO2(15nm)三層膜.圖6中曲線a為SiO2(94nm)/TiO2(60nm)雙層膜應(yīng)用在無(wú)鈍化層的電池上的反射率曲線.對(duì)于有鈍化層的電池,SiO2(94nm)/TiO2(60nm)雙層膜實(shí)際上變?yōu)镾iO2(94nm)/TiO2(60nm)/SiO2(15nm)三層膜,此時(shí)反射率曲線為曲線b,顯然,減反射效果不太理想.于是我們改變了原來(lái)的SiO2/TiO2雙層膜的參數(shù)得到SiO2(94nm)/TiO2(40nm)/SiO2(15nm)三層膜曲線c.由曲線b、c可以看出,當(dāng)把第二層膜TiO2厚度由60nm降低到40nm時(shí),反射率有所下降.這與實(shí)驗(yàn)中的適當(dāng)降低第二層膜厚度會(huì)改善減反射效果的結(jié)果一致.3減反射膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)本文對(duì)硅太陽(yáng)電池減反射膜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).利用計(jì)算機(jī)對(duì)硅太陽(yáng)電池的減反射膜進(jìn)行了仿真模擬,根據(jù)反射率曲線得到了最佳的減反射膜膜系參數(shù),解決了封裝和鈍化