太陽電池減反射膜最佳厚度的數(shù)值計算

魏晉云

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

引 言

影響硅太陽電池效率的一個重要因素是入射到電池表面上光的反射損失，太陽電池的減反射膜可以使光的反射大大減小，使短路電流有很大增加.選取減反射膜匹配的折射率和膜層的厚度，可以使太陽電池在所工作的光譜范圍內(nèi)獲得最佳的減反射效果.國內(nèi)外對太陽電池減反射膜的研究多集中在多層膜系上[1-5].實際上，太陽電池應(yīng)用更多的是單層減反射膜.當(dāng)單層減反射膜的折射率確定時，減反射膜的最佳厚度也確定.本文數(shù)值計算單層減反射膜的反射公式，得到了硅太陽電池一氧化硅減反射膜反射最小的最佳厚度.

1 理論計算

在半導(dǎo)體硅的表面制備一層減反射介質(zhì)膜，反射率由下式給出

(1)

式中，r1、r2為界面上的菲涅爾反射系數(shù)，Δ為膜層厚度引起的位相角.

(2)

(3)

地面太陽光譜能量的峰值為0.5 μm，而硅太陽電池的相對響應(yīng)峰值0.8～0.9 μm，因此適當(dāng)?shù)臏p反射效果最好的波長為0.5～0.7 μm，由此可取中心波長0.6 μm.最佳厚度的硅太陽電池減反射膜應(yīng)呈深藍色.本文在0.4～1 μm波長范圍內(nèi)進行研究.

硅的折射率可表示為

(4)

一氧化硅薄膜的折射率可表示為

(5)

用MATLAB對以上公式數(shù)值計算，就能得到大氣中一氧化硅減反射膜的不同厚度的反射曲線，如圖1所示.0.075 8 μm為一氧化硅減反射膜的最佳厚度.

圖1 不同厚度減反射膜的反射曲線

根據(jù)圖1，可以數(shù)值計算反射曲線下的面積，反射曲線下面積即積分為減反射膜的全反射率.面積越小，反射越小.表1為減反射膜厚度與反射曲線下面積(全反射率)的關(guān)系.

表1 減反射膜厚度與反射的關(guān)系

由表1可以看出，減反射膜的最佳厚度應(yīng)在0.07～0.08 μm之間，在此范圍內(nèi)，反射最小.

2 結(jié) 論

由反射公式，可以數(shù)值計算出硅太陽電池一氧化硅減反射膜的反射率.減反射膜厚度在0.07～0.08 μm之間反射最小.

[1] CHAKRAVARTY B C,VINOD P N,SINGH S N.Design and simulation of antireflection coating for application to silicon solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2002,73:59-66.

[2] NUBILE P.Analytical design of antireflection coatings for silicon photovoltaic devices[J].Thin Solid Films,1999,342:257-261.

[3] 王永東，崔容強，徐秀琴.太陽電池減反射膜系統(tǒng)的研究[J].太陽能學(xué)報，2001，22(3):317-321.

[4] 楊文華，吳鼎祥，李紅波．空間高效硅太陽電池減反射膜設(shè)計與數(shù)值分析[J]．半導(dǎo)體學(xué)報，2004，25(9)：1118-1122.

[5] 楊文華，李紅波，吳鼎祥．太陽電池減反射膜設(shè)計與分析[J]．上海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，10(1)：39-42.