宽角度硅太阳电池减反射膜的优化设计

发布于:2021-09-26 08:34:56

第29卷第10期 2008年10月

太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA

V01.29.No.10 Oct.,2008

宽角度硅太阳电池减反射膜的优化设计

陈凤翔,汪礼胜
(武汉理工大学理学院物理科学与技术系。武汉430070)

摘要:以太阳电池减反射膜为研究对象,考虑太阳光从00。60。宽角度入射,同时结合硅的光谱响应和太阳光谱 分布,采用加权*均反射率作为评价膜系质量的标准,利用数值计算设计了的最佳双层减反射膜SiN,/SiO,。计算 结果表明30。是设计减反射膜的最佳优化角度。对于入射介质为空气时,最优薄膜参数为凡鲫=2.3,d洲=56nm,

ns%=1.46,d鸭=90nm。当太阳电池封装后,即入射介质为硅胶时,最佳膜系参数为n矧。=2.3,d涮。=65nm,n∞。

=1.63nm,dsio=80nmo


关键词:太阳电池;减反射膜;加权*均反射率;宽角度

中图分类号:7IM615

文献标识码:A

O引 言
减反射膜是太阳电池的重要组成部分,目前国 内外对太阳电池减反射膜的研究很多,分别讨论了 AM0和AMl.5光谱下单层减反膜、双层减反膜甚至 三层减反膜的优化设计,并将其结果应用于太阳电 池减反射膜的设计和制作,明显提高了太阳电池的 转换效率¨刮。
上述研究虽然取得了理论计算和实验测量大致 相符的结果,但在其膜系设计过程中,仅考虑了光线 垂直入射的理想情况。而在太阳电池的实际应用 中,除一些特殊电池如聚光电池安装有定向追踪日 光的辅助系统外,一般太阳电池均按照当地的经、纬 度固定在某一个方向。在太阳升起和降落的一个循 环中,减反射膜并不是时刻与入射光线保持垂直,而 是一个入射角度不断发生变化的过程(称之为斜入 射)。当正入射下设计的减反射膜应用于倾斜入射 时,由于偏振效应会使其反射特性发生很大变化。 因此,在宽入射角度下使用的减反射膜需要在宽角 度下对膜系的性能参数进行重新设计,以适应太阳 电池全天候使用的需要。
1理论分析
减反射膜是光学薄膜的一种,而目前针对光学

薄膜的设计方法非常成熟,下面简单介绍减反射膜

工作原理和设计方法。光波是电磁波的一种,在分 层介质中的传播是电磁波的传播,满足Maxwell电磁

理论。太阳电池表面的减反射膜由于其光学厚度小 于相干光程,在薄膜的上下界面将发生光的干涉现

象,减反射作用就是利用光的干涉效应来实现的。 对于单层膜系,可以利用菲涅耳公式求得反射率;对

于多层膜系,可以用一个等效界面来表示,只要求得 等效导纳l,,就可以求得膜系的反射率R。基本计

算步骤如下[4】: 已知m层膜系的各层膜材料的折射率和厚度

分别为m,dk(k=1,2,…,m),入射介质和电池基

底材料折射率分别为rg。,‰+。,光线入射角氏,仉为

光学导纳。第k层的干涉矩阵为:

帆=【盅“=慨】 帆5【吼。in以 嘲以‘J

(1)

式中,允——第k层的相位厚度,瓯=27c‰d^cosOIlA (k=0,1…,扎)。
整个m层的干涉矩阵为:

M=口帆

(2)

在光倾斜入射时,由于电矢量和磁矢量在每一 膜层界面上切向分量均连续而发生偏振。对于s偏

收稿日期:2007-05—20
通讯作者:陈凤翔(1979一),女,博士、副教授,主要研究方向为太阳电池的设计及测试。plmnixchen79@yahoo.Ⅻ.∞

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振,电矢量垂直于入射面;而对于P偏振,电矢量在 入射面内。多层膜任一点上的光学导纳被定义为在 那一点上磁矢量切向分量与电矢量切向分量的比 值。
2丽Ⅳ。
17

式中,|j}——光传播方向的法向单位矢量。因此在倾

斜入射的情况下,s偏振和P偏振的导纳值是不同 的。对于第k层膜,它们分别为:

『7k/eosok
玑2 1仉c。。Ok

P分量 s分量

而巩可由SneH定律得出:

nosinoo=nIsin0I,k=1,2…,m,m+1(4)

多层膜系和基片组合的导纳Y=C/B,而层,C

由式(5)确定:

[弘膨匕】

(5)

其中,‰+。——基片的导纳。

肚l撒l 薄膜系统的能量反射率尺为: 2



其中,s(a)、职(A)、R(叉)——分别表示太阳的光谱 分布、硅的光谱响应以及减反射膜在对应波长点的 反射率。因为F表示的是带有权重因子的*均反 射率,因此又可称为加权*均反射率。
膜系设*峁胩致
2.1空气中入射的膜系设*峁 一般来说,单层减反射膜只能达到v型减反的
效果,即在某一个设定波长处达到较低的减反效果, 而难以实现宽谱域上理想的减反射效果。多层膜系 虽然可以取得非常好的减反射效果,但由于3层及 以上减反射膜对工艺、材料的要求较高而很少在太 阳电池中实际应用【5’6]。因此,本文主要考虑双层减 反射膜,结合目前太阳电池中常用的PECVD沉积 SiN;工艺,设计的双层膜系为SiN,/Si02,如图1所 示。其中Si02的折射率比较固定,通常认为是n锨
=1.46,而SiN。的折射率与PECVD的沉积工艺条件 有关,随薄膜中Si或N成分的变化而变化,变化范 围在1.9—2.3之间。

对于R。分量,公式中y、珈需用yI,‰替代;对

于R,分量,公式中Y、珈需用yp、‰替换。

总能量反射率R有:

R:车当

(7)

为达到整个膜系的减反射效果,主要通过调整

膜系层数m和优化各层膜的折射率n。和厚度以来

实现。由于硅的光谱响应范围为300~1200nm,所以

只考虑波长在300~1200nm范围内的入射光子,同

时考虑太阳光谱的光强分布,实现300~1200nm范

围内整体反射率的最小。

在光学膜系的设计过程中需要建立一个综合评

价膜系质量的函数,称为评价函数。评价函数是设

*峁肫谕抵畹暮谔舻绯氐募醴瓷

膜的设计中,反射率的理想值为零,因此评价函数越

小越好。考虑太阳光谱与硅的光谱响应曲线不一

致,我们选用的评价函数为:

r1.2

F=业≮酉—————一 I s(a)SR(R)R(a)dR I S(a)SR(R)dR

(8)

J 0.3

图1硅太阳电池结构
Fig.1 The slructure of silicon solar eeH
我们的设计目的是寻求合适的n,d以保证太 阳电池在全天候的使用过程中,反射率变化*稳,同 时加权*均反射率尽可能小。这样在太阳电池的使 用过程中,随着入射光强的变化,整个光伏系统的输 出相对稳定,更利于光伏系统的设计。对于入射太 阳光,考虑入射角度范围在00~60。之间。角度过 大,表示此时太阳处在刚刚升起或快要降落的过程 中,太阳光强不会很强,过分考虑大角度的减反射效 果会影响强光时段的减反射效果;而入射角度范围 过小或仅考虑垂直入射的情况,此时设计的减反射 膜并不能在太阳电池一整天的工作输出中起到良好 的减反射效果。

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能学

报.

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图2给出了以垂直入射优化,即入射角度为00 时优化薄膜的反射率随入射角度和波长的变化。此 时双层膜厚度分别为d锨=84am,d洲=54rim,?/'SIN =2.3。虽然在0D入射角时,整个波段反射率较低, 但随入射角度的增加,尤其是入射角度增加到60。, 反射率大幅上升,特别是在长波波段,反射率均在 10%以匕。
冰\ 瓣 杂 堪

∞ 坫

m 术\瓣藤蜡


O 400
20
15

静10 餐 岖


600

800

波长/nm

a.150

1000

1200

图2以伊作优化角度,优化薄膜的反射率

随入射角度和波长的变化

Fig.2 The variation of the rdlectivity of optaIlal

incident艘oles anti-reflection coating on the

q虹蒯for and wavelength in the ca船of

zero degree

图3分别给出了以150 300、450 600作为优化角

度时,优化薄膜的反射率在不同入射角度下随波长

的变化。此时优化薄膜的参数列于表1。从图3中 可看出,以15。角入射优化的薄膜和O。优化的结果大

致相同,当入射光以较大角度入射,长波段的反射率

较高。而将60。角优化的薄膜和oo优化的结果对比 发现,600角优化可以明显降低长波范围内的反射率 到10%以下,但不可避免短波区反射率的上扬,抑制

了对太阳光谱中高能光子的吸收。以30。优化的薄 膜则表现出较好的减反射性能,在oo一45。的入射角 度中减反射曲线的变化较为*稳,全波段反射率较

低;即使在600入射角情况下,短波和长波端的反射 率都保持在15%以下。而以45。进行优化的薄膜,与 60。优化的结果比较类似,大角度入射时长波段反射 率下降,但小角度时对高能短波的反射率过高。

表1列出了不同优化角度时,最优化薄膜的性 能参数。从表中可以看出:①随优化角度的变化,

SiN;薄膜的折射率无变化。这是因为根据计算结

果,SiN。膜的最佳折射率在2.5,2.7,而实际中SiN;

膜的折射率范围为1.9~2.3,所以优化的结果是 SiN,膜折射率始终为2.3;②随优化角度变化,SiN,

O 400

600

800

波长/ran

b.300

1000

1200


需 杂 怄


姗 杂 怄
渡长/rim d.600
图3不同优化角度下,优化薄膜的反射率 随入射角度和波长的变化
Fig.3 Under different degrees,the把41ectivities d 晖曲阳al anfi-rdlection∞砥I唱vary with the incident mlgI脚and wavelength.The山哿ee e【Illal8 to 15。~60。

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厚度的变化不很明显,说明在生产过程中,需要对减 反射膜厚度进行精确控制。
表1不同优化角度时最优化薄膜的厚度和折射率 Table l 0pltirllal anti-reflection film
characteristics under different angles

为进一步比较优化角度对入射光减反射的影 响,考虑太阳光谱中的光强分布和硅太阳电池的光 谱响应,图4给出了加权*均反射率F随入射角度 的变化。从图4中可以看出,以垂直入射或150为优 化角度,小角度入射时F很低,随入射角度的增加, F迅速增加;而以450或60。作为优化角度,虽然在大 角度时*系停〗嵌仁保票绕渌嵌榷几撸 其是以600优化时,小角度区域中F比00优化结果 高出超过l%。说明以过大角度进行优化,对小角 度入射时不能起到良好的减反射作用。而以30。作 优化角度,从图4中可以清楚看出,可对不同入射角 度兼顾,是最佳的优化角度。







瓷3







10 20

30 40 50

60

入射角度“o)

图4不同优化角度下,加权*均反射率随入射角度的变化
Fig.4 Weighted average reflectance of double-layer
anti-reflection c08t]iJ垮versus different incident舳西鹤 2.2硅胶封装后膜系的设*峁
一般情况下,太阳电池要采用硅胶来进行封装, 硅胶可以保证太阳电*筒Aе涞南喽怨潭ǎ 利于太阳电池的安装使用。硅胶的折射率为//= 1.43,与si02的折射率较为接*;硅胶的厚度为O.4 —0.6mm,远远超过减反射膜的理想厚度。若还对 太阳电池进行双层减反射膜的沉积,则因为硅胶过 厚且硅胶的折射率和si02折射率相当,相当于入射

介质为硅胶,双层减反射膜退化为单层SiN。减反射 膜的情况。此时的反射率曲线示于图5。
图5给出了以30。角度优化的膜系,当人射介质 从空气变为硅胶时,反射率随入射角度的变化。对 比图5和图2b可以看出,此时的双层减反射膜的减 反射效果从W型变成了V型,接*单层减反射膜。 而且减反射膜的减反射效果集中在波长500nm附 *,无法对长波范围的太阳光起到有效地减反射效 果,这也是太阳电池封装后组件效率低于电* 率的原因之一。因此需要寻求新的理想材料来实现 太阳电池全天候减反射膜的设计和制造,其中最重 要的是提高S她层的折射率。

15
零 \ 镬卜10 ∞ 怄


O 400

600

800

波长/nm

looO

1200

图5入射介质为硅胶时,反射率随入射角度的变化
Fig.5 The reflectivity ver8118 different incident 锄一鹤when silica gel 88 the incident media
文献[7]中提到用光学镀膜机,采用电子束加热 的方法制作SiO膜,此时SiO膜的制备采用了“充氧” 的工艺,所以实际制得的为SiO。,折射率为1.63,高 于硅胶折射率。此时以300角优化的最佳减反射膜 的反射率曲线随入射角度的变化示于图6。此时膜 系参数为:n洲=2.3,d驯=65nm,nSiO=1.63,dso =80nm。不同入射角度时的加权*均反射率为B
=1.25%,Fl于=1.25%,%=1.26%,%=1.57%,
Far=3.87%o
结合图6和图2b,可以看出,改变SiO,层折射 率后,双层减反射膜在全波长范围内,反射率的变化 趋于*稳,尤其是长波段区间。即使以60。进行入 射,此时长、短波端最高反射率仅约为10%。表明对 于封装的太阳电池,SiO。层折射率的提高有助于对 入射太阳光的吸收。

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15

建10

畚 蜡5

0 400

600

800

波长/nm

1000

1200

图6硅胶封装后,反射率随入射角度的变化 F.唔.6 The reflectivity VfffSllg different
incident mlg:l髓for廿lc叩吼dated solar cells
3结 论
本文对硅太阳电池的减反射膜进行了优化设 计,主要考虑了不同优化角度下最佳双层减反射膜 SiN。/SiO:的反射率随入射角度的变化。在00~60。 的人射范围中,以30。作为优化角度的减反射膜的减 反射性能最佳,此时减反射膜的性能参数为:nSIN=

2.3,d洲=56rim,nsio,=1.,16,d觚=90hm。对于封 装后的太阳电池,由于硅胶的折射率与Si02较接 *,双层减反射膜将退为单层减反射膜,降低减反射 效果。因此,可采用“充氧”等方法提高SiO。层折射 率来增强对入射太阳光的吸收,其最佳膜系参数为
/1,SIN=2.3,dSiN=65nm,nsio=1.63,d∞=80nmo

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oPr】她ED DESIGN oF ANTⅡtEn。ECTIoN CoATING
FOR SILICoN SoIAR CELLS WITH BoARD ANGLE UsAGE

Techno蚴D即刺,Wuhan踟嘞of乃dl,蝴,Wuhan (Phys/cs Sc/eme and

Chen Fen函ang,Wang Lisheng

430070,Gh/na)

theory.Combined埘tll印删response Abstract:The optimal double antirefleetion film SiN,/SiO;WaS designed for solar cells瓤幻叫diIlg to the basic optical film of silicon and the distribution of solar spectrum,weighted average reflectivity
was selected鹪the standard to judge the quality of antirefleetion film.The incidence觚对鹤of antireflection coatings Wel'e

considered from O to 60。.The computation results show that 30。is the optimal design

le.When air is the incident

蒯ia,the optimal film parameters am n¥13^1,=2.3,d鲫。=56nm,ns鸭2 1.46,d鸭5 90nm。After solar cells were en—

capsulated,the optimal film parameters a聆n洲。=2.3,d洲。=65nm,nsi0。=1.63,dsio。=80nm。

Keywords:solar cell;antireflection coating;weighted average reflectivity;board angle

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宽角度硅太阳电池减反射膜的优化设计

作者: 作者单位: 刊名:
英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

陈凤翔, 汪礼胜, Chen Fengxiang, Wang Lisheng 武汉理工大学理学院物理科学与技术系,武汉,430070
太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 2008,29(10) 0次

参考文献(7条) 1.Yang Wenhua.Li Hongbo.Wu Dingxiang Design and analysis of anti-reflection coating for solar cells
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