GaAs多結(jié)電池寬光譜ZnS/Al2O3/MgF2減反射膜的設(shè)計與分析

肖祥江, 涂潔磊, 白紅艷

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所,教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點實驗室，云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室， 云南 昆明 650092)

引言

太陽電池是把光能直接轉(zhuǎn)換為電能的光電子器件，其光電轉(zhuǎn)換效率定義為總輸出功率與入射到太陽電池表面的太陽光總功率的比值。增加進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部光子數(shù)，減小入射光的反射，有利于提高光生電流，并提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。目前減少光的反射主要采用兩種方法[1]: 1) 將電池表面制成絨面，增加電池表面的光吸收; 2) 在電池表面鍍一層或多層光學(xué)性質(zhì)匹配的減反射膜。

多結(jié)太陽電池是由多個隧穿結(jié)連接的子電池構(gòu)成的，各子電池帶隙寬度從寬到窄由上至下依次排列，當(dāng)太陽光首先進(jìn)入頂部帶隙最寬的第一級時，高能量的短波波段在此被吸收，未被吸收的波長較長的光則逐級向下透射進(jìn)入下層各級電池，被相應(yīng)子電池吸收。另外，由于半導(dǎo)體本身的高折射率，多結(jié)電池表面的高反射損耗必須通過減反射膜來降到最小[2-3]。而在多結(jié)太陽電池上制備雙層減反射膜已經(jīng)不足以減少寬波長范圍內(nèi)光的反射[4-6]，因此在表面制備寬光譜減反射膜對提高其轉(zhuǎn)換效率是非常重要的，目前可通過遺傳算法[7]、等效法[8]及光學(xué)軟件[9-10]等方法對減反射膜系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

本文選取λ=650 nm作為中心波長，采用TFCalc光學(xué)薄膜設(shè)計軟件對GaAs多結(jié)電池寬光譜(300 nm～1 800 nm)ZnS/Al2O3/MgF2三層減反射膜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，給出有效反射率Re最小時各層最佳厚度值，并分析各層膜厚和折射率變化對三層膜系有效反射率Re的影響。為制備ZnS/Al2O3/MgF2三層減反射膜提供了理論上的依據(jù)。

1 原理

(1)

式中：2δk為相鄰兩相干光束的位相差，δk=2πnkdk/λ，以上給出的公式為垂直入射光的情況；nk為各層折射率；dk為各層厚度；ns為基底折射率；λ為入射波長。

膜系的反射率R取決于上面的膜層結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般情況下，對于垂直入射和入射光的光譜分布是已知的，因此可通過調(diào)整膜系的層數(shù)m和各層膜的光學(xué)厚度nidi(i= 1,2,…,m)來得到最小的反射率。

在減射膜設(shè)計中，為了方便計算，選用有效反射率Re來計算，Re的表達(dá)式如下[12]：

(2)

式中：F(λ)為入射光子數(shù)分布；R(λ)為減反射膜在對應(yīng)波長點的反射率；λ0，λg為光譜波長上下限，λ0=300 nm，λg=1 800 nm。

膜系結(jié)構(gòu)如圖1所示，選AlInP作為窗口層，計算時，GaAs及ZnS光學(xué)常數(shù)取自文獻(xiàn)[13]，AlInP，Al2O3及MgF2光學(xué)常數(shù)取自俄羅斯loffe所。

圖1 ZnS/Al2O3/MgF2三層減反射膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of three-layer ZnS/Al2O3/MgF2 antireflection coatings

2 計算結(jié)果與分析

在實際鍍膜過程中，充氧量、基底溫度和淀積速率等實驗條件對薄膜的光學(xué)參量影響較大，可能導(dǎo)致實驗結(jié)果背離理論設(shè)計值[14]。為了實現(xiàn)理論模擬對實際研制工作的有效指導(dǎo)，對ZnS/ Al2O3/ MgF2三層減反射膜中各薄膜的膜厚變化和折射率變化對膜系有效反射率的影響程度展開深入討論，具有較強(qiáng)的實際應(yīng)用價值。本文利用TFCalc薄膜設(shè)計軟件對ZnS/ Al2O3/MgF2三層減反射膜進(jìn)行了模擬，TFCalc軟件是一個光學(xué)薄膜設(shè)計和分析的通用工具，它的操作簡單，功能強(qiáng)大。具體功能主要包括設(shè)計光學(xué)膜系結(jié)構(gòu)、分析膜系的反射、吸收、損耗等物理性能，并將這些物理性能作為優(yōu)化目標(biāo)，針對薄膜的厚度和層數(shù)等采用Needle算法等進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最佳膜系設(shè)計結(jié)果，并以圖表的方式直觀地顯示出來[15]。

考慮入射光為白光，得到圖2所示的反射率曲線，從圖中可以看出在300 nm～1 800 nm寬波長范圍內(nèi)，在400 nm, 500 nm, 800 nm, 1 500 nm處附近取得極小值，平均反射率小于2%，有比較好的減反射效果。經(jīng)反復(fù)計算，得出最優(yōu)物理厚度分別為d1=52.77 nm(ZnS)，d2=82.61 nm(Al2O3)，d3= 125.17 nm(MgF2)時，此時最小有效反射Remin=2.31%。

圖2 三層膜ZnS/Al2O3/MgF2反射率隨波長變化曲線Fig.2 Reflectance of three-layer ZnS/Al2O3/MgF2 antireflection coating as a function of wavelength

2.1 各層膜厚對三層膜系Re的影響

圖3表示有效反射率Re隨ZnS，Al2O3和MgF2各層膜厚度分別都增加和減少10 nm， 20 nm，30 nm時的變化，“+”點處為各層膜厚理論設(shè)計值(d1=52.77 nm，d2= 82.61 nm，d3=125.17 nm)。從圖中可以看出，當(dāng)各層膜厚度偏離理論設(shè)計值時，Re有顯著的增加。其中，ZnS厚度對Re的影響最大，在其理論值附近±10 nm范圍內(nèi)變化時，Re有3.5%～14.3%的波動，對于Al2O3層Re有約2.6%波動，MgF2層Re有約1.7%的波動，對Re的影響最小。因此在實際實驗中應(yīng)盡量控制好各層膜厚的誤差，特別是折射率較大的ZnS厚度誤差。

圖3 有效反射率隨ZnS，Al2O3和MgF2膜厚的變化Fig.3 Effective reflectance as a function of ZnS,Al2O3 and MgF2 thickness

2.2 各層折射率誤差對三層膜系Re的影響

圖4表示有效反射率Re隨ZnS，Al2O3和MgF2各層折射率分別都增加和減少0.05，0.1，0.15，0.2時的變化，“+”點為各層折射率理論計算值(n1=2.347(ZnS)，n2= 1.76 (Al2O3)，n3=1.383(MgF2))。從圖4中可以看出，當(dāng)各層折射率偏離理論計算值時，Re有顯著的變化。其中，各層折射率偏離理論值逐漸增加時，Re隨Al2O3和MgF2折射率增加而增加，MgF2折射率對Re的影響大于Al2O3，但是，Re隨ZnS折射率逐漸增加時，其變化趨勢是在0.1變化范圍內(nèi)有約2.6%的減少，而隨后增加；當(dāng)各層折射率偏離理論值逐漸減小時，在0.2變化范圍內(nèi)，Re隨ZnS和Al2O3折射率減小而增加， Al2O3折射率對Re的影響最大，但對于MgF2，折射率減少0.1時Re有約19.9%的減少，減少到最小值1.85%，超過0.1以后，Re逐漸增加，達(dá)到0.2后MgF2折射率對Re的影響將變?yōu)樽畲蟆Ｒ虼嗽趯嶋H實驗中，要獲得更低的Re，可以適當(dāng)?shù)販p小MgF2的折射率，控制在0.17以內(nèi)；也可以增加ZnS的折射率，控制在0.1以內(nèi)。

圖4 有效反射率隨ZnS，Al2O3和MgF2折射率的變化Fig.4 Effective reflectance as a function of ZnS,Al2O3 and MgF2 refractive index

2.3 其他誤差對Re的影響

理論計算的前提是ZnS，Al2O3和MgF2的消光系數(shù)非常小，以至于不足以影響理論計算精確度。本文通過模擬分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnS，Al2O3和MgF2的消光系數(shù)不發(fā)生數(shù)量級變化時，三層膜系有效反射率Re在300 nm～1 800 nm寬波長范圍內(nèi)的變化是可以忽略的。

光入射角對Re的影響如圖5所示，Re在入射角35°以內(nèi)有約2.2%的降低，隨后逐漸增加。入射角達(dá)到50°以后，Re上升得很迅速。

圖5 有效反射率隨太陽光入射角的變化Fig.4 Effective reflectance as a function of solar incident angle

3 結(jié)論

本文通過TFCalc軟件對GaAs多結(jié)電池寬光譜ZnS/Al2O3/MgF2三層減反射膜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，給出了有效反射率Re最小時減反射膜的最優(yōu)厚度及反射曲線，通過對三層膜系各層膜厚和折射率的變化對Re影響的分析，結(jié)果表明：1) 折射率較大的ZnS厚度對Re的影響要大于Al2O3和MgF2，折射率低的MgF2厚度對Re的影響最小。在減反射膜制備中，如能精確控制膜層厚度，保持實際厚度與理論計算值一致，有利于獲得最佳的減反射效果；2) 適當(dāng)減小MgF2的折射率(控制在0.17以內(nèi))和增加ZnS的折射率(控制在0.1以內(nèi))，可以得到更低的Re。

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