基于非晶硅太陽電池的工作原理，對其減反射膜進行研究．根據(jù)四分之一波長作用原理得到反射率最小時的厚度優(yōu)化參數(shù)．單層減反射膜選用ITO( n=2.0，d=75 nm)，加權平均反射率為5．91％．雙層膜選用MgF2／ITO，厚度分別為111nrn和75 m ，加權平均反射率為3．72％．此外，還作出反射率隨波長的變化曲線，并通過計算仿真結果進行比較說明如何選材：對于單層減反射膜，采用折射率小的材料能取得更好的效果，而對于雙層減反射膜，采用折射率上低下高形式，能取得更好的效果．
相對于晶體硅太陽電池而言，非晶硅太陽電池具有對可見光的吸收強、價格低廉、高溫性能好以及能量回收周期短等優(yōu)點．它是利用半導體材料的電子特性把光能直接轉換成電能的光電器件，其光電轉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，主要取決于2個方面，首先是太陽電池對入射光的吸收率，對于裸硅太陽電池，當光入射到電池表面時約有三分之一的光被反射，從而使得電池對入射光的吸收減少；其次是半導體材料本身的性質對于效率的影響．文中研究如何減少電池表面對光的反射，以提高太陽電池開路電壓，短路電流，填充因子等各方面的電性能．
對于非晶硅太陽電池表面的透明導電膜既作為電池的上電極收集載流子，又可以當作減反射膜以降低太陽光在電池表面的反射，而透明導電膜材料的選擇以及厚度的大小直接影響著光在電池表面的反射，因此有必要對透明導電膜進行優(yōu)化設計，以得到最小的反射率．此外，還將研究在透明導電膜上再制備單層或雙層減反射膜對入射光反射率的影響．對于不同材料、不同膜層數(shù)的減反射系統(tǒng)，設計其最佳厚度．文中將在深入研究非晶硅太陽電池原理的基礎上，通過計算機仿真得到電池反射率最低時膜系的各個最佳參數(shù)．
1原理
1．1減反射膜的四分之一波長原理
如圖1所示，從第二個界面返回到第一個界面的反射光與從第一個界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者．
在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為d1的透明層材料表面反射能量所占比例即反射率R為
其中，不同層的折射率r1
由單個波長點反射率、入射光子通量、硅材料的內部量子效率，可計算出在整個光譜范圍內的加權平均反射率為
式中，F(xiàn)(λ)為人射光子通量，公式為
式中，V為該波長光的相對視敏度；P為其輻射功率．Q(λ)為硅的內部量子效率，由圖2得到；R(λ)為減反射膜在對應波長點的反射率，由式(1)、式(2)得到；λ1、λ2為光譜波長上下限，λ1=350 nm、λ2=1 120 nm．加權平均透射率為Tw=1-Rw．
加權平均反射率可給出整個波長范圍內平均反射率的具體值，由加權平均反射率值可以很準確地判斷出膜系在硅的光譜響應范圍內總的減反射效果．
2減反射膜設計分析
在以下的討論中取中心波長為600nm，變化曲線的波長單位為nrn．
2．1單層透明導電膜
在單層透明導電膜的情況下，一般選擇ITO(n=2.0)和SnO2(n =2.09)作為透明導電電極，根據(jù)四分之一波長原理，其厚度分別為75nm和72nm．
2．2透明導電膜+單層減反射膜
一般情況下減反射膜材料為MgF2(n=1．35)、Si02(n=1．46)、Al2O3(n=1．9)、Ti02(n=2．3)，透明導電膜的材料為ITO(n =2．0)和SnO7(n=2．09)．
為了說明問題，首先選擇2種組合，即MgF2／ITO(d=111 nm、75 nIn)，Ti02／ITO(d=65nm、75nm)，它們的反射率隨波長的變化曲線如圖4．從圖4中可以看出，在光譜響應范圍內，透明導電膜與低折射率減反射膜的組合比低折射率透明導電膜加高折射率減反射膜的效果好．上面兩種組合的加權平均反射率分別為3.72％<span style="font-family:; font-size: 10.5pt;" mso-fareast-language:zh-cn;mso-bidi-language:ar-sa"="" mso-bidi-font-family:宋體;mso-font-kerning:0pt;mso-ansi-language:en-us;="" minor-latin;mso-fareast-font-family:宋體;mso-hansi-theme-font:minor-latin;=""> 和30.53％，由此可見，MgF2／ITO明顯優(yōu)于TiO2／ITO．
比較圖3與圖4可知，在兩層膜的情況下，在很大的波長范圍內都有較小的反射率，而單層膜只在單個波長點附近有較小的反射率．
再看另外兩種情況，Si02／ITO(d=103nm、75nm)和MgF2／ITO(d=111nm、75nm)，反射率隨波長的變化曲線如圖5所示，在300～450nm和900～1500nm范圍內，Si02／ITO優(yōu)于MgF2／ITO；而在450~900nm范圍內，MgF2／ITO明顯優(yōu)于SiO2／ITO．經(jīng)過計算，siO2／ITO的加權平均反射率為5.57％，而MgF2／ITO的加權平均反射率為3.72％，可見在相同情況下減反射膜材料的折射率低一些效果會更好．
綜上得到如下結論，即設計兩層膜的時候，選擇材料應遵循兩層膜的位置關系最好是上面一層的折射率低一些而下面一層的高一些的原則．
2．3透明導電膜+雙層減反射膜
在此設計了兩種三層膜系，MgF2／SiO2／ITO和Sio2／MgF2／ITO，透明導電膜始終不變，只是交換兩種減反射膜的位置，MgF2、Si02、ITO的厚度分別為111、103、75 nrn．運行后的圖形如圖6，計算其加權平均反射率分別為7.26％和11．63％，可見MgF2／SiO2／ITO的組合要優(yōu)于SiO2／MgF2／ITO．
可得如下結論，如果要設計單層透明導電膜加兩層減反射膜的結構，兩種減反射膜的位置關系最好是上面一層的折射率低一些而下面一層的高一些，這樣能取得更好的減反射效果．
3結束語
就如何設計非晶硅太陽電池減反射膜的最優(yōu)參數(shù)問題進行計算機仿真，并討論了幾種應用廣泛的減反射膜材料的優(yōu)化設計．在整個非晶硅的光譜響應范圍內，對于單層透明導電膜，折射率小的材料如ITO的反射效果更好，對于兩層膜的情況，在可見光譜范圍內，在透明導電膜上加上一層比其折射率低的減反射膜，這樣的組合會比低折射率的透明導電膜加上一層高折射率的減反射膜的效果好，并且在一一定范圍內，膜層越多效果越好。
相對于晶體硅太陽電池而言，非晶硅太陽電池具有對可見光的吸收強、價格低廉、高溫性能好以及能量回收周期短等優(yōu)點．它是利用半導體材料的電子特性把光能直接轉換成電能的光電器件，其光電轉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，主要取決于2個方面，首先是太陽電池對入射光的吸收率，對于裸硅太陽電池，當光入射到電池表面時約有三分之一的光被反射，從而使得電池對入射光的吸收減少；其次是半導體材料本身的性質對于效率的影響．文中研究如何減少電池表面對光的反射，以提高太陽電池開路電壓，短路電流，填充因子等各方面的電性能．
對于非晶硅太陽電池表面的透明導電膜既作為電池的上電極收集載流子，又可以當作減反射膜以降低太陽光在電池表面的反射，而透明導電膜材料的選擇以及厚度的大小直接影響著光在電池表面的反射，因此有必要對透明導電膜進行優(yōu)化設計，以得到最小的反射率．此外，還將研究在透明導電膜上再制備單層或雙層減反射膜對入射光反射率的影響．對于不同材料、不同膜層數(shù)的減反射系統(tǒng)，設計其最佳厚度．文中將在深入研究非晶硅太陽電池原理的基礎上，通過計算機仿真得到電池反射率最低時膜系的各個最佳參數(shù)．
1原理
1．1減反射膜的四分之一波長原理
如圖1所示，從第二個界面返回到第一個界面的反射光與從第一個界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者．
在正常入射光束中從覆蓋了一層厚度為d1的透明層材料表面反射能量所占比例即反射率R為
其中，不同層的折射率r1
由單個波長點反射率、入射光子通量、硅材料的內部量子效率，可計算出在整個光譜范圍內的加權平均反射率為
式中，F(xiàn)(λ)為人射光子通量，公式為
式中，V為該波長光的相對視敏度；P為其輻射功率．Q(λ)為硅的內部量子效率，由圖2得到；R(λ)為減反射膜在對應波長點的反射率，由式(1)、式(2)得到；λ1、λ2為光譜波長上下限，λ1=350 nm、λ2=1 120 nm．加權平均透射率為Tw=1-Rw．
加權平均反射率可給出整個波長范圍內平均反射率的具體值，由加權平均反射率值可以很準確地判斷出膜系在硅的光譜響應范圍內總的減反射效果．
2減反射膜設計分析
在以下的討論中取中心波長為600nm，變化曲線的波長單位為nrn．
2．1單層透明導電膜
在單層透明導電膜的情況下，一般選擇ITO(n=2.0)和SnO2(n =2.09)作為透明導電電極，根據(jù)四分之一波長原理，其厚度分別為75nm和72nm．
2．2透明導電膜+單層減反射膜
一般情況下減反射膜材料為MgF2(n=1．35)、Si02(n=1．46)、Al2O3(n=1．9)、Ti02(n=2．3)，透明導電膜的材料為ITO(n =2．0)和SnO7(n=2．09)．
為了說明問題，首先選擇2種組合，即MgF2／ITO(d=111 nm、75 nIn)，Ti02／ITO(d=65nm、75nm)，它們的反射率隨波長的變化曲線如圖4．從圖4中可以看出，在光譜響應范圍內，透明導電膜與低折射率減反射膜的組合比低折射率透明導電膜加高折射率減反射膜的效果好．上面兩種組合的加權平均反射率分別為3.72％<span style="font-family:; font-size: 10.5pt;" mso-fareast-language:zh-cn;mso-bidi-language:ar-sa"="" mso-bidi-font-family:宋體;mso-font-kerning:0pt;mso-ansi-language:en-us;="" minor-latin;mso-fareast-font-family:宋體;mso-hansi-theme-font:minor-latin;=""> 和30.53％，由此可見，MgF2／ITO明顯優(yōu)于TiO2／ITO．
比較圖3與圖4可知，在兩層膜的情況下，在很大的波長范圍內都有較小的反射率，而單層膜只在單個波長點附近有較小的反射率．
再看另外兩種情況，Si02／ITO(d=103nm、75nm)和MgF2／ITO(d=111nm、75nm)，反射率隨波長的變化曲線如圖5所示，在300～450nm和900～1500nm范圍內，Si02／ITO優(yōu)于MgF2／ITO；而在450~900nm范圍內，MgF2／ITO明顯優(yōu)于SiO2／ITO．經(jīng)過計算，siO2／ITO的加權平均反射率為5.57％，而MgF2／ITO的加權平均反射率為3.72％，可見在相同情況下減反射膜材料的折射率低一些效果會更好．
綜上得到如下結論，即設計兩層膜的時候，選擇材料應遵循兩層膜的位置關系最好是上面一層的折射率低一些而下面一層的高一些的原則．
2．3透明導電膜+雙層減反射膜
在此設計了兩種三層膜系，MgF2／SiO2／ITO和Sio2／MgF2／ITO，透明導電膜始終不變，只是交換兩種減反射膜的位置，MgF2、Si02、ITO的厚度分別為111、103、75 nrn．運行后的圖形如圖6，計算其加權平均反射率分別為7.26％和11．63％，可見MgF2／SiO2／ITO的組合要優(yōu)于SiO2／MgF2／ITO．
可得如下結論，如果要設計單層透明導電膜加兩層減反射膜的結構，兩種減反射膜的位置關系最好是上面一層的折射率低一些而下面一層的高一些，這樣能取得更好的減反射效果．
3結束語
就如何設計非晶硅太陽電池減反射膜的最優(yōu)參數(shù)問題進行計算機仿真，并討論了幾種應用廣泛的減反射膜材料的優(yōu)化設計．在整個非晶硅的光譜響應范圍內，對于單層透明導電膜，折射率小的材料如ITO的反射效果更好，對于兩層膜的情況，在可見光譜范圍內，在透明導電膜上加上一層比其折射率低的減反射膜，這樣的組合會比低折射率的透明導電膜加上一層高折射率的減反射膜的效果好，并且在一一定范圍內，膜層越多效果越好。
