太陽電池減反射膜的仿真與優(yōu)化

太陽電池減反射膜的仿真與優(yōu)化

太陽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，直接影響太陽電池對入射光的反射率，對提高太陽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)模擬硅太陽電池減反射膜，模擬反射率r（）與波長的關(guān)系曲線，并選擇最小反射參數(shù)。我們?yōu)楦咝Ч杼栯姵販p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)，討論了太陽電池封閉液和太陽電池表面活性劑對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.對于多層膜系,可以用一個(gè)等效界面來表示,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,對波長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調(diào)整層數(shù)m和各層膜的光學(xué)厚度nidi(i=1,2,…,k)來得到最佳的反射率曲線.在設(shè)計(jì)中,為簡化設(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,我們在設(shè)計(jì)時(shí)盡量使有最小反射率的光的波長接近電池材料的光譜響應(yīng)峰值,同時(shí)也要兼顧太陽光的光譜特性.我們考慮了太陽光譜及硅的光譜響應(yīng),把550nm確定為中心波長,欲使反射率最小,就要使在中心波長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)其它波長點(diǎn)光的減反射,以使得在此波長范圍內(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厚度的變化更敏感,而折射率小的材料對厚度變化的依賴性要小一點(diǎn).對于不同的材料,都有一個(gè)最佳的厚度值,對應(yīng)著最小的反射率.由圖2可以看出,對于單層膜,采用Al2O3(n=1.9),厚度d=72nm時(shí),減反射效果比較好.但僅僅對中心波長附近的光的減反射效果較好,對遠(yuǎn)離中心波長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范圍內(nèi)都有較小的反射率,在300~1200nm波長范圍內(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,三層減反射膜在較寬波長范圍內(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,只在中心波長點(diǎn)附近有較低的反射率,不能在整個(gè)波長范圍內(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.針對這一現(xiàn)象,對原來的減反射膜系進(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)上海空間電源研究所測試的鍍膜前、后及考慮鈍化層優(yōu)化后太陽電池電性能的變化.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)所測電池的實(shí)際情況,鈍化層取為SiO2(n=1.46,d=15nm),故原來的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)用在無鈍化層的電池上的反射率曲線.對于有鈍化層的電池,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)本文對硅太陽電池減反射膜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).利用計(jì)算機(jī)對硅太陽電池的減反射膜進(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