銅銦鎵硒薄膜光伏組件中電池與封裝材料界面的光學特性對組件性能的影響

林舒平，單洪青，莊大明

(1． 北京低碳清潔能源研究院，北京 102211； 2. 神華(北京)光伏科技研發(fā)有限公司，北京 102211；3． 清華大學 材料科學與工程學院，北京 100084)

1 引 言

銅銦鎵硒薄膜太陽電池實驗室轉(zhuǎn)換效率持續(xù)刷新，目前已經(jīng)達到23.35%[1]，為薄膜類太陽電池中的最高紀錄。銅銦鎵硒薄膜光伏組件產(chǎn)業(yè)也在積極發(fā)展，通過小電池的分級連接，Miasolé的大面積柔性組件有效面積轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了18.6%[1]。而NICE Solar Energy通過一系列的技術(shù)提升，在1 200 mm×600 mm的組件上也實現(xiàn)了17.6%的全面積轉(zhuǎn)換效率[2]。相比之下，銅銦鎵硒薄膜光伏組件與實驗室小面積電池之間存在著不小的效率差距。造成這些差距的主要原因包括大面積下的均勻性差異造成的電流失配、更厚的透明導(dǎo)電氧化物薄膜吸收更多的光、組件死區(qū)減少了活性面積占比等等。但是，從光管理角度看，組件的光利用率相比小電池依然具有一定的優(yōu)勢，通過對內(nèi)部界面的模擬分析以及光學改性還可進一步提升組件的效率。

組件光管理的目的是使得更多的光能夠被電池的Cu(In,Ga)Se2吸收層所吸收，從而在吸收層內(nèi)產(chǎn)生更多的光生載流子，光生載流子被p-n結(jié)內(nèi)建電場分離后，產(chǎn)生輸出電流。因此，增加光利用的直接結(jié)果是組件的短路電流增加。但由于光管理是在p-n結(jié)之外的區(qū)域進行的，不改變p-n結(jié)的特性，因此對電池的開路電壓與填充因子不產(chǎn)生明顯影響。在短路電流沒有顯著變化的條件下，組件最大輸出功率的提升與短路電流的提升比例基本是一致的。

一方面，封裝組件相比于單個小電池增加了高分子封裝材料與蓋板玻璃。玻璃與高分子材料的折射率均在1.5左右，這相當于在透明導(dǎo)電氧化物薄膜表面增加了一層折射率在1.5左右的過渡材料，相比于小面積電池中透明導(dǎo)電氧化物薄膜/空氣界面的反射率，封裝材料可顯著降低電池表面的反射率，提高電池的短路電流。雖然小電池也可以制備減反射層，但經(jīng)過優(yōu)化，封裝組件依然可以達到更低的表面反射。

另一方面，由于從玻璃到空氣為光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)，入射角超過臨界角就會發(fā)生全內(nèi)反射，組件內(nèi)部的反射光線有很大的可能被反射回到電池活性面積中，從而再次被吸收。利用組件結(jié)構(gòu)的這一特性，可設(shè)法利用非活性區(qū)域的光照。

目前已有文獻針對晶硅組件中光追蹤問題的報道[3]，也有對于銅銦鎵硒薄膜電池內(nèi)部的界面反射、吸收損失的模擬[4]，但對組件的光學仿真報道較少。晶硅電池通常都包含氮化硅(SiN)減反層與制絨陷光結(jié)構(gòu)，而銅銦鎵硒薄膜電池具有復(fù)雜的內(nèi)部界面反射與薄膜干涉；組件內(nèi)通常無減反層，也包含反射很低的死區(qū)。本文將根據(jù)電池膜層結(jié)構(gòu)討論組件內(nèi)部減反結(jié)構(gòu)的可行性以及對非活性區(qū)域進行光管理，以提高入射光的利用，從而提升組件效率。

本文結(jié)合NICE Solar Energy GmbH所產(chǎn)光伏組件的參數(shù)與實測數(shù)據(jù)，并利用光學模擬軟件Essential Macleod建立組件模型，來分析銅銦鎵硒薄膜光伏組件中電池與封裝材料界面的光學特性對降低光反射、吸收的影響。文中將分為兩大部分進行研究，第一部分研究活性區(qū)域電池內(nèi)疊層薄膜的光反射特性以及透明導(dǎo)電氧化物薄膜與高分子封裝材料界面的光反射特性，提出減反射設(shè)計；第二部分通過模擬在非活性面積上改變封裝材料與電池界面的反射特性，分析反射結(jié)構(gòu)的鏡面反射、漫反射以及反射面傾角對二次反射效率的影響。本文為銅銦鎵硒薄膜光伏組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能提升提供了參考。

2 實 驗

2.1 模擬軟件與樣品介紹

本文使用Thin Film Center Inc公司的光學薄膜設(shè)計軟件Essential Macleod[5]進行數(shù)據(jù)的仿真。該軟件能夠根據(jù)薄膜的光學折射率-消光系數(shù)(n-κ)數(shù)據(jù)對薄膜疊層結(jié)構(gòu)進行光學角度的包括透反射、吸收、偏振、相位角等全面的仿真分析。銅銦鎵硒電池中各層薄膜的n-κ值來源于文獻報道。實驗中測試用到的光伏組件數(shù)據(jù)來自于NICE Solar Energy 產(chǎn)線的實驗測試。其薄膜疊層結(jié)構(gòu)從下往上依次為Glass(3.2 mm)/Mo(500 nm)/CIGS(2 500 nm)/CdS(50 nm)/i-ZnO(80 nm)/ZnO∶Al(800 nm)/(Metal grid)/Polymer(0.6 mm)/Front glass(3.2 mm)。其中Mo是鉬背電極，CdS是硫化鎘緩沖層，i-ZnO為本征氧化鋅窗口層，ZnO∶Al是摻鋁氧化鋅前電極，Metal grid是指有部分組件在前電極上用低溫銀漿印刷了金屬柵線結(jié)構(gòu)，Polymer為高分子封裝材料。

金屬柵線為垂直于電池劃線的一組平行線，印刷在前電極上以降低傳導(dǎo)電阻，如圖1所示。柵線的制備可提升組件的填充因子，但同時短路電流會有所損失。本文不討論對填充因子的影響，僅從光學角度分析柵線結(jié)構(gòu)對組件短路電流的影響。

圖1 銅銦鎵硒薄膜光伏組件電池與封裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 樣品表征

組件的電流電壓曲線(I-V)測試使用的是h.a.l.m.I-V測試系統(tǒng)，3D顯微鏡使用的是Keyence VK-X series 3D激光掃描共焦顯微鏡，反射數(shù)據(jù)使用PerkinElmer Lambda 950紫外/可見/近紅外分光光度計測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 組件結(jié)構(gòu)介紹

銅銦鎵硒薄膜光伏組件的結(jié)構(gòu)通常如圖1所示，從下往上分別為襯底玻璃、鉬(Mo)背電極、CIGS/CdS/ZnO組成的核心p-n結(jié)結(jié)構(gòu)、透明導(dǎo)電氧化物薄膜膜層、可能會包含的金屬柵線(Metal grid)結(jié)構(gòu)、高分子封裝材料、蓋板玻璃以及可能會包含的減反射層。每兩個相鄰電池之間在死區(qū)范圍內(nèi)進行互連，Mo層劃線P1隔斷兩個電池之間的正極，CIGS/CdS/ZnO層的劃線P2在透明導(dǎo)電氧化物薄膜濺射前進行，隨后濺射的透明導(dǎo)電氧化物薄膜層連接了相鄰兩電池的正負極，最后通過P3劃線將Mo以上的所有層移除，斷開兩個電池之間的負極連接，最終實現(xiàn)了前一個電池與后一個電池之間的正負極互連。由于P1、P2和P3劃線區(qū)域內(nèi)都無法再發(fā)電，因此稱為電池死區(qū)，是非活性區(qū)域的一部分。兩死區(qū)中間的部分為活性區(qū)域。另外，如包含柵線結(jié)構(gòu)，盡管柵線在活性區(qū)域上，但由于柵線的遮擋面積也無法接收到光照，也為非活性區(qū)域。

3.2 活性區(qū)域EVA/電池界面反射

根據(jù)菲涅爾公式，在垂直入射條件下，光在兩種介質(zhì)界面上的反射率為[4]：

(1)

公式(1)說明當光通過兩種不同介質(zhì)的界面時，其反射率是由兩種介質(zhì)的折射率n和消光系數(shù)κ的差別決定的。對于介電材料，其消光系數(shù)κ遠小于折射率的情況下，可忽略消光系數(shù)κ，僅考慮折射率n。折射率差異越大則光反射越強。文中大部分界面反射的模擬正是基于這一公式進行。

AM 1.5G太陽光譜[6]是測試太陽電池或組件的標準光譜。實際決定太陽電池短路電流密度的是光譜的光子通量對電池外量子效率的加權(quán)積分。因此，光子通量決定了電池短路電流密度。本文根據(jù)AM 1.5G光譜扣除組件材料中的玻璃反射、玻璃與封裝材料的吸收后得到的光譜用于計算后文的光損失。

通常來說，光伏玻璃大多使用多孔SiO2薄膜作為減反材料。本文使用的多孔SiO2折射率數(shù)據(jù)來源于文獻[7]。計算得到最佳的鍍膜厚度在120 nm左右。對太陽電池最重要的300～1 200 nm范圍內(nèi)的AM 1.5G光譜折合光子通量理論上產(chǎn)生的最高短路電流密度為46.55 mA/cm2，經(jīng)減反后玻璃表面反射產(chǎn)生的短路電流損失為0.63 mA/cm2。使用文獻報道中光伏玻璃要求的含鐵量在(100～200)×10-6之間的超白光伏玻璃的n-κ數(shù)據(jù)[8]，3.2 mm厚蓋板玻璃，經(jīng)玻璃吸收之后的光通量對應(yīng)短路電流密度下降到44.86 mA/cm2。

圖2 AM 1.5G光譜以及經(jīng)過玻璃前表面反射、3.2 mm玻璃吸收與0.6 mm EVA吸收之后的光譜光子通量分布。

封裝材料選擇文獻報道的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料的光學數(shù)據(jù)[9]進行模擬。由EVA材料與玻璃的折射率計算可知Glass/EVA界面的反射率在0.01%左右，因此忽略了該界面反射。經(jīng)過0.6 mm EVA薄膜吸收，光子通量損失為1.25%，剩余光子通量對應(yīng)短路電流密度為44.30 mA/cm2。圖2總結(jié)了經(jīng)過每一步損失之后的光子通量分布曲線。

光到達薄膜電池與封裝材料界面后，由于電池的膜層厚度在與光1/4波長相當?shù)臄?shù)量級上，薄膜的干涉變得非常顯著。因此，本文根據(jù)各層薄膜材料的文獻報道光學參數(shù)[10-13]，建立了完整的銅銦鎵硒薄膜電池膜層結(jié)構(gòu)?？紤]到在實際組件中，光是由封裝材料入射到電池內(nèi)，因此將入射介質(zhì)設(shè)置為EVA。圖3展示了模擬中使用的各層材料的色散曲線。銅銦鎵硒薄膜電池中最常用的透明導(dǎo)電氧化物薄膜材料為摻鋁氧化鋅(ZnO∶Al)，因此前電極透明導(dǎo)電氧化物層使用了ZnO∶Al。

圖3 模擬使用的所有材料的色散曲線

為對比模擬與實際組件的差別，圖4(a)首先展示了玻璃上ZnO∶Al薄膜、實際組件封裝前和封裝后的反射率曲線。從圖中可見，未封裝組件的表面反射率明顯低于玻璃上的ZnO∶Al反射率，并且組件上的干涉峰和谷相比玻璃上的ZnO∶Al薄膜都有較顯著的紅移，這是由于組件中膜層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個界面的反射都導(dǎo)致干涉峰和谷產(chǎn)生少量移動。最主要的原因則是由于組件中包含i-ZnO層，其折射率與ZnO∶Al的相接近，增加了干涉膜層的厚度，從而導(dǎo)致干涉曲線的峰和谷向長波方向移動。這一差別在短波段更為明顯，而在長波段，由于i-ZnO與ZnO∶Al的折射率差異逐漸加大，i-ZnO與ZnO∶Al界面的反射加強，使得干涉峰和谷逐漸接近單純的ZnO∶Al膜的干涉，因此長波段的紅移相對變?nèi)?。組件的薄膜干涉也比玻璃上的ZnO∶Al膜更弱。 這一方面是由于電池底部的膜層吸收光線，界面反射率低于玻璃/ZnO∶Al界面；另一方面是由于實際電池表面粗糙度顯著增加，使得薄膜的反射率降低。而在封裝之后，反射率進一步降低，這是由于玻璃與封裝材料的折射率比ZnO∶Al的折射率低，封裝后組件的表面與ZnO∶Al/封裝材料界面的反射率之和依然低于ZnO∶Al/空氣界面的反射率。 400 nm處的強烈反射則是由于此處接近i-ZnO與ZnO∶Al層的帶隙，薄膜的折射率n異常高[14]，導(dǎo)致ZnO∶Al表面的強烈反射。之后隨著波長的增加，ZnO∶Al折射率不斷下降，使得組件的反射率顯著降低。這與圖3所示ZnO∶Al的反射率曲線趨勢一致。 850 nm處的臺階是由于設(shè)備更換光源或探測器引起的校準誤差，1 000 nm之后反射率顯著上升是由于銅銦鎵硒對長波光的吸收下降導(dǎo)致鉬背電極反射逐漸顯著。

圖4 (a)實際ZnO∶Al薄膜以及組件封裝前后的反射率曲線;(b)按照實際組件中各膜層厚度使用軟件模擬對比無MgO與不同MgO層厚度的反射率曲線;(c)無MgO與85 nm MgO減反層下，透射過頂部所有層進入吸收層的光的透射比例。

通過模擬，對比實際測試曲線可知所采用的文獻數(shù)據(jù)與實際電池中膜層的光學參數(shù)的差異。圖4(b)給出的根據(jù)實際組件膜層厚度建立的模型模擬的反射譜與圖4(a)中的實測譜圖有以下區(qū)別：

(1)實際組件在ZnO∶Al帶隙附近反射率明顯高于長波段的反射率，但模擬曲線中400 nm處的反射峰則沒有足夠高。說明實際組件的ZnO∶Al在帶隙波長附近的折射率高于文獻中的值。

(2)模擬曲線500～800 nm部分的反射率依然較高，干涉很強。而實際組件在該部分反射率顯著降低，說明實際ZnO∶Al薄膜在紅外部分材料的折射率應(yīng)比文獻數(shù)據(jù)更低。

(3)模擬曲線始終顯示出比較明顯的薄膜干涉，但實際組件在800～1 000 nm波段卻沒有明顯干涉，這可能來自于表面粗糙度的影響?？赡苁腔瘜W水浴沉積(CBD)CdS中附著在膜表面的CdS顆粒導(dǎo)致ZnO∶Al表面粗糙，形成該區(qū)域陷光。

上述分析說明與圖形對比可知，軟件建立的模型與實際組件之間有一些差異，但是并不大，特別是在可見光范圍內(nèi)是比較一致的。實際組件的反射比模擬的高是由于還包含了玻璃表面反射4.2%。也可看出，反射更多集中在800 nm以下可見光范圍。

為了分析可見光范圍內(nèi)強反射的來源，需要根據(jù)公式(1)分析電池疊層中各層材料的折射率差異。表1列出了所有組件材料與電池各層膜材料在650 nm波長處的折射率數(shù)據(jù)。從表中折射率可以看出，多孔SiO2層是較好的減反層材料。玻璃與EVA之間的界面基本可以忽略反射作用。ZnO∶Al與i-ZnO同樣折射率接近，可忽略該界面。ZnO/CdS與CdS/CIGS之間都會產(chǎn)生顯著反射。但CdS厚度(50 nm)符合520 nm波長光的1/4波長對應(yīng)光程厚度，可作為CIGS與i-ZnO之間的減反層。因此，結(jié)構(gòu)中可見光波段反射應(yīng)主要發(fā)生在EVA/ZnO∶Al界面上，可在該界面加一減反層。

表1 模擬使用的材料在650 nm波長處的折射率

減反層材料要求具有寬帶隙，在要求的光譜范圍內(nèi)消光系數(shù)接近0，折射率應(yīng)為上下膜層材料折射率的幾何平均值。根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，可知減反材料折射率應(yīng)為1.73左右。MgO在650 nm處的折射率為1.734[15]。因此，MgO是很好的減反層材料。并且MgO材料性質(zhì)穩(wěn)定，吸收率極低，儲量豐富，成本低廉，是比較理想的膜層材料。圖4(b)中對比了添加MgO減反層之后組件內(nèi)從EVA入射下電池的反射率曲線的變化。表2同時展示了使用圖2中EVA吸收后的光譜折合模擬的反射率結(jié)果。由于波長1 100 nm之后銅銦鎵硒的吸收顯著下降，因此對組件短路電流的影響相對較小。表2同時給出了300～1 100 nm的減反效果?？梢园l(fā)現(xiàn)MgO減反層的加入顯著降低了界面反射率，并且對于短波段范圍的提升尤其顯著。在1 100 nm以下最多可增加光通量1.42%用于提升組件短路電流,且在較大的厚度范圍內(nèi)保持了很好的減反射穩(wěn)定性。圖4(c)則展示了透過吸收層之上所有層后透射進入銅銦鎵硒吸收層中的光比例。可見增加MgO減反層之后，降低的反射光絕大部分進入了吸收層用于提升組件短路電流。實際電池表面需要考慮粗糙度的影響，但是仍然會有明顯提升。

表2 不同MgO層厚度的光譜折合反射率

制備MgO減反層對于薄膜光伏組件產(chǎn)線來說是易于實現(xiàn)的,甚至可集成在ZnO∶Al濺射之后進行，連續(xù)的磁控濺射過程非常易于集成到原產(chǎn)線中。由于MgO電導(dǎo)率極低，因此只適合使用射頻濺射方法制備，電子束蒸發(fā)也是可選的方案，但膜厚均勻性不及濺射方法。

本段論述中未提及界面反射光在組件玻璃/空氣界面的二次反射問題，原因在3.3中論述。

3.3 非活性區(qū)域EVA/電池界面反射

一方面，非活性區(qū)域吸收的所有光將全部轉(zhuǎn)換為熱量而損失掉，不僅對輸出沒有貢獻，而且會提升組件溫度從而降低轉(zhuǎn)換效率。另一方面，由于玻璃/空氣界面具有反射作用，電池與封裝材料界面的反射光中的一部分能夠二次反射回到電池中。因此，非活性區(qū)域需要增強電池表面的反射以減少吸收損失。通過一定技術(shù)方法增強非活性區(qū)域界面反射，不僅可降低組件工作溫度，也可提升組件輸出電流。

在入射光不是垂直入射情況下，公式(1)不再適用，入射光將分為偏振方向垂直和平行于反射面的s分量和p分量[16]。由于是自然光，此處模擬結(jié)果使用的是二者的均值。

圖5(a)模擬了不同入射角度下EVA入射到玻璃中的光被蓋板玻璃/空氣界面反射回到電池表面的概率，模擬的波長使用了光通量較大的500，650，1 000 nm。另外，650 nm還包含了玻璃上有減反層(Anti-reflection coating,ARC)的情況。為方便說明，后文將入射光在電池/EVA界面上的反射稱為一次反射，將一次反射光在玻璃/空氣界面上的反射稱為二次反射。從圖中可以看出，接近垂直組件表面的一次反射光，其二次反射率接近玻璃/空氣界面反射率，僅有極少量光被玻璃與封裝材料吸收。隨著一次反射光角度的增大，二次反射率逐漸增大。玻璃帶有減反層的反射率曲線則由于玻璃/空氣界面反射率低而明顯更低。隨著入射光的角度增大到接近全反射臨界角(本例中約42°)，二次反射率迅速升高。對于EVA與玻璃吸收率較低的500 nm波長光，二次反射率達到98%以上。而1 000 nm光則由于玻璃的吸收較強，二次反射率明顯低一些，但也基本超過了80%。根據(jù)有和無減反層的650 nm光二次反射率對比，減反層的使用并未影響到全內(nèi)反射角。當入射角度繼續(xù)增大到接近90°，迅速增加的EVA與玻璃內(nèi)的光程使得吸收迅速增加，因而二次反射率明顯降低。

圖5(b)的示意圖直觀顯示了不同角度一次反射光以全內(nèi)反射臨界角42°為界限，圓錐面之內(nèi)的一次反射光大部分透射進入空氣，只有很少一部分反射回到電池表面。而超過42°的部分則全內(nèi)反射完全回到了電池表面。因此，一次反射光在圓錐面內(nèi)分布越多，則逃逸的光越多。

圖5 (a)不同入射角度下經(jīng)過EVA與玻璃后光被反射回到電池表面的反射率，包含玻璃與封裝材料光吸收;(b)不同反射角度的電池表面的一次反射光在組件蓋板玻璃上表面的反射與透射示意圖，藍色圓錐面表示全內(nèi)反射臨界角錐面。

光的反射通常分為鏡面反射與漫反射，但實際的反射通常為二者的混合。因此本部分將一次反射光看作鏡面反射Rs和漫反射Rd兩部分的和，總的一次反射率R=Rs+Rd。

從圖5(a)的結(jié)果看，垂直入射的光經(jīng)過EVA/電池界面的鏡面一次反射Rs，當反射面平行于界面，反射光θ角依然接近0°。在有玻璃減反層條件下，則二次反射回到電池表面的概率為0.60%。即使對于無玻璃減反層情況，也僅有4.2%被玻璃/空氣界面二次反射回來。由圖4(a)可知封裝后電池表面的一次反射率在3%以下，則電池表面鏡面反射后被空氣/玻璃界面二次反射回到電池表面的光貢獻的電流僅占光譜總光子通量的約0.1%或更低。因此，可以忽略電池表面的鏡面反射光的二次反射。由于電池活性區(qū)域粗糙度小，反射基本為鏡面反射，反射光幾乎完全透射進入空氣逃逸掉，對電流輸出的影響很小，因此3.2中忽略了活性區(qū)域二次反射的影響。

另一部分的一次反射光以漫反射的形式回到EVA中，依然假設(shè)反射面平行于組件表面，考慮理想的漫反射朗伯體[17]，此處假設(shè)電池表面的漫反射部分Rd遵循朗伯反射。在該假設(shè)下，被光照表面在不同觀察角度下反射光的輻射率保持不變。當面積元dA受光照發(fā)生反射，根據(jù)輻射率定義：

(2)

其中Φ為光通量，ω為空間角，θ為測量點與dA連線與dA法線夾角?？梢姰敶怪睖y量時，受光照的反射面積最大，光通量dΦ也為最大。其他角度下cosθ<1，反射光通量dΦ均小于垂直條件下的反射光通量。將反射光通量對空間角積分，如圖6所示，空間角ω大小隨著θ角呈現(xiàn)sinθ上升，因此反射光的光通量與sin(2θ)成正比。通過積分可知，在有玻璃減反層的條件下，電池表面650 nm的一次反射光被組件前表面二次反射回到電池表面的概率為54.1%。

圖6 朗伯反射下漫反射光被二次反射回到電池表面隨角度的光通量相對分布

死區(qū)與柵線結(jié)構(gòu)均勻分布在開孔區(qū)域[18]內(nèi)，NICE Solar Energy產(chǎn)品的活性區(qū)域占比在94%以上，其二次反射光將絕大部分落在活性區(qū)域內(nèi)。

使用銀漿絲網(wǎng)印刷柵線具有一定的三維結(jié)構(gòu)。柵線的遮擋會降低組件短路電流。圖7(a)

圖7 (a)柵線間距分別為1.5，2.0，2.5 mm組件的統(tǒng)計短路電流分布；(b)固化的低溫銀漿表面反射率與波長關(guān)系；(c)組件柵線的3D顯微照片，顯示了柵線外形、尺寸等數(shù)據(jù)。

中給出了一組實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用相同的組件結(jié)構(gòu)，同樣的柵線線寬，柵線間距分別為1.5，2.0，2.5 mm，對應(yīng)的短路電流分布與均值如圖中所示。產(chǎn)線同批次組件的穩(wěn)定性很好，盡管電流的變化僅僅在1%左右，但統(tǒng)計值的變化依然是顯著的。

假設(shè)柵線線寬為x，柵線間距為w，則損耗的短路電流比例為x/w。假設(shè)實際短路電流為I，無柵線的短路電流為I0，則可得到：

(3)

可見,如將1/w對I作線性擬合，其截距為I0，斜率為-x/I0。擬合得到當w無窮大，也就是無柵線時的I0=2.205 A，遮擋寬度x=0.058 mm。

圖7(c)所示的3D顯微測量數(shù)據(jù)顯示，實驗中柵線的平均印刷寬度約為75m，實際遮光寬度58m，約占總寬度77%。因此，照射到柵線上大約23%的光子被柵線和玻璃前表面反射回到活性區(qū)域并被利用。圖7(b)則顯示了固化的銀漿表面的實際反射率，根據(jù)圖2所示的光譜，計算得到反射的光子通量占原有光子通量的61.6%?？梢娖湟淮畏瓷涞墓庵卸畏瓷浔壤蠹s為37%。由前文對鏡面反射光與漫反射光的分析，對于柵線的鏡面反射部分，根據(jù)圖7(c)中柵線的高寬數(shù)據(jù)，柵線外形傾角小于21°，鏡面反射光未能產(chǎn)生全內(nèi)反射。因此，柵線的鏡面反射光絕大部分從前表面透射損失掉，僅有漫反射中大約一半的光被利用。二者綜合使得最終的柵線光照利用率達到實際值23%。

根據(jù)一次反射與二次反射的關(guān)系，總結(jié)如下：

(1)反射面有傾角的一次反射其二次反射率對于漫反射和鏡面反射都比平行的反射面高。

(2)對于漫反射，隨著一次反射面傾角的增大，二次反射效率從54%左右持續(xù)增高。

(3)對于鏡面反射，二次反射率在一次反射面平行于組件表面時很低，一次反射面傾角增大到接近21°時，二次反射率迅速增加到接近100%；隨后由于封裝材料和玻璃內(nèi)光程的增加增強了吸收作用，二次反射效率逐漸降低，到接近45°時快速降低到0；然后由于光被直接反射到電池表面，反射光利用率又迅速增加到趨近100%。

對于相鄰電池中間的死區(qū)部分，由于P3劃線是相鄰電池之間的電絕緣部分，因此不適合使用金屬進行填充制作一次反射結(jié)構(gòu)，可通過涂覆絕緣性的高反射材料制作反射結(jié)構(gòu)。若能構(gòu)成較好的漫反射表面，反射率達到90%以上，應(yīng)可利用50%或更多的死區(qū)光照。涂覆需要非常高的精度，盡可能準確地覆蓋非活性區(qū)域。具備應(yīng)用潛力的材料包括但不限于無機高漫反射率粉末如TiO2、BaSO4、MgO，或白色高分子材料如聚四氟乙烯，其對光譜范圍內(nèi)的光均具備很高的反射率，可達90%甚至是95%以上。將粉末調(diào)制成漿料后，通過掩膜板印刷、噴涂甚至高精度打印等方法進行高精度的涂覆，在非活性區(qū)域制備出高漫反射表面的反射結(jié)構(gòu)，則可實現(xiàn)對非活性區(qū)域光照的高效利用。

4 結(jié) 論

本文分別對銅銦鎵硒薄膜光伏組件中活性與非活性區(qū)域的電池與封裝材料界面的光學特性進行測試分析，采用文獻報道的材料光學常數(shù)數(shù)據(jù)進行光學建模與模擬，通過在活性區(qū)域內(nèi)增加單層減反層結(jié)構(gòu)，使用MgO材料的1/4波長薄膜實現(xiàn)了較好的減反效果，模擬減少界面反射超過1%。利用一次反射光在空氣/玻璃界面上的二次反射，模擬了非活性區(qū)域的反射光的利用，結(jié)合柵線實驗數(shù)據(jù)，分析了漫反射與鏡面反射、反射面角度等對二次反射率的影響，并提出在死區(qū)內(nèi)制備高反射率大反射傾角的一次反射結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對非活性區(qū)域超過50%的光照利用。

致謝:感謝NICE Solar Energy的科研人員給予的支持與幫助，特別感謝Timo Freund和Niccola Zancan在Metal Grid組件制備與數(shù)據(jù)測試、Nicole Klotz在反射譜測試上給予的幫助。