太陽能電池用空氣球形結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜抗反射效果的仿真研究

劉孝麗，周翼釩，周利成，張 桐，張曉宇

(1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2.重慶文理學(xué)院 重慶市高校新型儲能器件及應(yīng)用工程研究中心，重慶 402160)

圖1 硅基太陽能電池結(jié)構(gòu)圖

圖2 硅基太陽能電池表面空氣球形結(jié)構(gòu)圖

本文建立了不同空氣球形抗反射結(jié)構(gòu)模型，計算了不同空氣球型尺寸、光入射角、球形結(jié)構(gòu)分布對光透率大小，探究空氣球形結(jié)構(gòu)參數(shù)對反射效果的影響規(guī)律及其抗反射的機理，為提高光學(xué)薄膜的抗反射性能提供理論積累，為其下一步國產(chǎn)化、工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 入射角度不敏感機理

傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜器件在大角度入射下，中心波長會發(fā)生偏移，發(fā)生器件的探測精度降低、產(chǎn)生噪音等不良影響[6]，為了減少由入射角度變化而引起的以上不良影響，各種新型光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿足以下要求：(1)對入射角的變化不敏感(可以消除大的入射角下會發(fā)生偏移、色差)；(2)抗反射薄膜的傳統(tǒng)光學(xué)性能不衰減。

空氣球形亞波長結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜由于其結(jié)構(gòu)特性和良好的光學(xué)作用機理，完全滿足上述要求。從結(jié)構(gòu)上來看，圖3(a)為所研究結(jié)構(gòu)的側(cè)面截面圖。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)劃分微元，考慮入射波的波長，在劃分側(cè)面輪廓時每一部分應(yīng)盡量薄。然后將劃分的每一個薄塊等效為矩形條狀塊，寬度等于各自層的平均寬度如圖3(b)所示。最后將一定寬度的矩形條塊簡化為一定有效折射率的一層薄膜如圖3(c)所示。

圖3 空氣球形亞波長結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜簡化圖

由于反射是當(dāng)光入射在不同折射率邊界的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)?shù)刃д凵渎蔬B續(xù)改變，這種結(jié)構(gòu)在工作中的抗反射機理與等效折射率就如同多層介質(zhì)薄膜一樣。使用每一部分不同的占空比參數(shù)代入勞倫茲-洛倫茲公式后(1)[7]，可以計算有效折射率。勞倫茲-洛倫茲公式如下：

(1)

式中：neff為等效折射率，ff為占空比，折射率nsub為1.5。

表1為將直錐體側(cè)面細化劃分為10微元，計算每一微元薄片占空比和等效折射率后，得到各個邊界處的菲涅耳反射率(基底介質(zhì)的折射率為1.5，且光在正入射角情況下)。此處為簡化的側(cè)面輪廓劃分(如圖3)，每一薄層厚度約10 nm左右。

表1為將直錐體側(cè)面細化劃分為10微元，計算每一微元薄片占空比和等效折射率后，得到各個邊界處的菲涅耳反射率(基底介質(zhì)的折射率為1.5，且光在正入射角情況下)。此處為簡化的側(cè)面輪廓劃分(如圖3)，每一薄層厚度約10 nm左右。

針對以上在大數(shù)據(jù)時代下，企業(yè)人力資源管理工作所面臨的挑戰(zhàn)，以及一些不足，做出改正和完善。就此，本段以下均是針對大數(shù)據(jù)時代下企業(yè)人力資源管理工作的改進策略，從更新企業(yè)人力資源管理觀念、健全并建立大數(shù)據(jù)時代下的人力資源管理體系，以及適當(dāng)增加人才激勵政策三個方面，進行了具體地分析研討，希望能夠給相關(guān)人員的研究做出一份貢獻。

表1 每一薄片占空比和等效折射率及每個邊界處的菲涅爾反射率

由表1可知，結(jié)構(gòu)由上至下，微元薄塊的占空比由0 %(空氣)逐漸變至100 %(基底)、有效折射率由1逐漸轉(zhuǎn)變到1.5時，相鄰薄膜介質(zhì)折射率變化很小，所以邊界處菲涅耳反射率也較小。

空氣球形亞波長結(jié)構(gòu)反射反射機制如下：在每一個微元薄塊邊界處，通過11個小的反射波相位振幅變化，當(dāng)相位差達到一個完整周期360°，反射波干涉能量將會減小到接近沒有，甚至側(cè)面輪廓高度增加到更高以后相位轉(zhuǎn)變超過360°，干涉后的反射波能量實際上不再增加。因此鍍有空氣球形結(jié)構(gòu)亞波長光學(xué)薄膜對于入射角變化不敏感，可以消除大的入射角下發(fā)生的偏移、色差等。

2 FDTD 模型與參數(shù)

2.1 模型的建立

空氣球形結(jié)構(gòu)主要是在亞波長結(jié)構(gòu)上形成的一層包含不同比例二氧化硅與空氣的球狀膜包，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)上層膜為空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜(SiO2膜)，折射率n=1.52，空氣介質(zhì)折射率n1=1。其光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。入射光線進入Si襯底有兩條路徑，光線1通過空氣球形氣泡進入襯底，或光線1透過二氧化硅薄膜進入下層光學(xué)器件。設(shè)定空氣球形結(jié)構(gòu)在三維空間呈周期性分布，相鄰氣泡之間距離以及氣泡直徑分別用a、b來表示，衍射角用θ表示，定義占空比f=b/a。建立有限元模型如圖6、圖7所示，網(wǎng)格劃分采用均勻網(wǎng)格。圖6中模型主要是用于一般反射率模擬，圖7中模型主要用于角度不敏感性模擬。

圖4 空氣球形鍍膜與硅基板結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 空氣球形減反膜光路示意圖

圖6 空氣球形結(jié)構(gòu)與二氧化硅基板有限元模型

圖7 空氣球型結(jié)構(gòu)三維有限元實物模型

2.2參數(shù)的確定

利用干涉原理來確定空氣球形氣泡的直徑：當(dāng)一束光入射到太陽能電池表面時，在空氣球形結(jié)構(gòu)表面上反射的光，與在玻璃基底表面反射的光，需滿足干涉相消的條件以減少入射光的反射。即當(dāng)光程差達到2dn=(2k+1)λ/2時，兩束光相干相消減反射效果最佳。在Am1.5的太陽能光譜中，類中心波長λ=550 nm，當(dāng)k=0時n=1.52，求得空氣結(jié)構(gòu)薄膜厚度d=111.78 nm，此時表面的減反射特性最佳。對于某一特定波長的光，如需將反射減小到零，那么應(yīng)該滿足如下兩個條件。一是振幅的條件，即反射光1的振幅和反射光2的振幅相等。二是減反膜厚度為d=λ/4n(不詳細討論),于是可以得到方程(2)：

(2)

其中：n0是大氣的折射率；n1是抗反射涂層的折射率；n2是硅的折射率。求解解方程(2)，可以得到抗反射涂層的折射率需滿足關(guān)系式(3)：

(3)

求解方程(3)得到n1=1.23，對應(yīng)占空比f=b/a=50.5%。

利用衍射原理來確定光柵周期a，利用空氣球形納米結(jié)構(gòu)衍射原理簡化認為入射光在納米氣泡結(jié)構(gòu)中不會發(fā)生衍射的現(xiàn)象。當(dāng)垂直入射的光波沿著光線1路徑入射硅片表面，此時衍射造成的光程差滿足(4)：

a(nssinθm+nisinθi)=mλ

(4)

(5)

對第1級的衍射來說，衍射角的最大值為90°，波長為550 nm，計算可得空氣球形結(jié)構(gòu)周期為a=218.25 nm.其他情況下，衍射角都將小于90°，故空氣球形膜納米周期值應(yīng)比218.25 nm大。利用占空比計算得出氣泡直徑為108.168 nm。

當(dāng)光柵的結(jié)構(gòu)尺寸在波長甚至是亞波長量級時，光的衍射現(xiàn)象逐漸消失，研究這種結(jié)構(gòu)中光的傳播特性時，還需要利用光學(xué)電磁理論進行分析。首先對目標建立求解麥克斯韋方程組，通過求解電場分布來獲得光柵的衍射特性等光學(xué)信息。然后利用時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)通過對麥克斯韋方程作差分處理，來解決電磁波在電磁介質(zhì)中傳播和場分布問題[8]。將Maxwell方程在時間和空間領(lǐng)域上進行差分化，可用來計算任意形狀亞波長結(jié)構(gòu)中的電磁場隨時間步進的演變過程，將復(fù)雜的物理過程用清晰的、直觀的物理圖表描繪出來，便于分析和設(shè)計。本課題利用FDTD模擬研究亞波長結(jié)構(gòu)的傳輸特性，調(diào)整不同的空氣直徑、不同的氣泡分布周期參數(shù)，研究透射效率和與這些參數(shù)之間的關(guān)系。探究亞波長結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜器件薄膜厚度、周期、占空比等參數(shù)對透射特性的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析與討論

3.1普通光學(xué)薄膜(SiO2)入射角度敏感性

在日常使用中，光源可能會有一定的入射角度進入光學(xué)系統(tǒng)中。使用FDTD軟件在0°、10°、20°、30°時計算普通光學(xué)薄膜的透過率曲線如圖8所示。從曲線中可以明顯看到傳統(tǒng)光學(xué)薄膜的最大透過率中心波段，通常都會出現(xiàn)隨著入射角的增大而向短波方向漂移的這一特殊現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)薄膜的光學(xué)器件有其固有的缺陷，使得在大入射角下存在光譜發(fā)生位置偏移、眩光、色差等，影響了成像質(zhì)量。

圖8 不同入射角下普通光學(xué)薄膜全光譜透過率曲線

3.2 單層氣泡空氣膜減少光反射的研究

采用了FDTD計算了空氣球形薄膜結(jié)構(gòu)在不同球間距下的反射率，結(jié)果如圖9所示。圖中可以看出在中心波長450 nm處，相較于沒有亞波長空氣結(jié)構(gòu)，不同球間距下的反射率都有所降低。與通過光的相消干涉方法的計算較為吻合。本文針對450 nm到550 nm之間的波段，選取空氣球形結(jié)構(gòu)的周期設(shè)計為108 nm進行抗反射效果模擬。

圖9 0 nm、108 nm、216 nm、324 nm間距與無氣泡仿真結(jié)構(gòu)反射率

利用控制變量法，保持空氣球形結(jié)構(gòu)的周期(108 nm)不變，令氣泡半徑從一定范圍尺寸內(nèi)以具體尺寸(比如50 nm)為間距變化。某一波段光照射時，觀測有無空氣球形結(jié)構(gòu)反射率情況，確定較為理想的入射增強效果時的空氣球形結(jié)構(gòu)的氣泡直徑，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知當(dāng)球直徑50 nm與球直徑100 nm對應(yīng)的反射率在中心波長450 nm處的反射率降低且100 nm球直徑相較于50 nm整體反射率降低，由以上模擬可以得出抗反射效果最好的單層氣泡球形結(jié)構(gòu)的周期與氣泡直接分別為108 nm與100 nm附近。

圖10 100nm、50nm、150nm、200nm氣泡直徑反射率對比圖

3.3 單層空氣球形結(jié)構(gòu)角度不敏感性

圖11為單層氣泡透過率隨入射角度變化的計算結(jié)果。由圖11可知，單層周期性空氣球型結(jié)構(gòu)在特定光譜內(nèi)，抗反射率曲線在不同角度下波動較小，明顯優(yōu)于未加入氣泡的純玻璃(如圖8)。隨著入射角度的增加透過率雖有一定降低，但并未如圖8中表現(xiàn)明顯(圖8中在某些波段出現(xiàn)了明顯的透過率急速衰減的區(qū)域)。故單層空氣球形結(jié)構(gòu)對入射角度有一定的不敏感性。鑒于單層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜只對窄的波段起到減少反射率的作用，這種對角度的不敏感性還有進一步提升的空間。

圖11 單層氣泡透過率隨入射角度變化圖

3.4 雙層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜抗反射研究

為了在較長波段內(nèi)空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜都能有非常明顯抗反射效果，可以將不同密度空氣球形氣泡設(shè)計成雙層空氣球型結(jié)構(gòu)薄膜。利用干涉原理來確定空氣球形氣泡的直徑,當(dāng)一束光入射到太陽能電池表面時，在空氣球形結(jié)構(gòu)表面上反射的光與在玻璃基底表面反射的光要達到干涉相消以減少入射光的反射，即當(dāng)光程差達到2dn1=(2k+1)λ/2時，減反射效果最佳.在Am1.5條件的太陽能光譜中，類中心波長λ=550 nm，當(dāng)k= 0時，求得空氣氣泡直徑d =137.5 nm時，可獲得最佳表面減反射特性。根據(jù)之前的討論，為取得較好的抗反射效果，選取雙層空氣球形結(jié)構(gòu)的最上層氣泡直徑為108 nm，第二層空氣球形直徑為137.5 nm。圖12為不同波段下，單層雙層起泡反射率對比圖。由圖12可知，單層、雙層起泡薄膜結(jié)構(gòu)的反射率在全波段內(nèi)均低于0.1，都具備較好的抗反射效果。在446 nm～529 nm波段內(nèi)，雙層球形結(jié)構(gòu)薄膜的反射率低于0.04抗反射效果明顯優(yōu)于單層球形結(jié)構(gòu)薄膜的抗反射效果。

圖12 單層、雙層氣泡反射率對比圖

3.5 雙層空氣球形結(jié)構(gòu)角度不敏感性

圖13 不同入射角度對器件透射率的影響

如圖13，對空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜施加不同入射角度的光源，觀察其在446 nm到592 nm研究波段內(nèi)的透過率曲線。發(fā)現(xiàn)采用雙層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜的太陽能器件并未發(fā)生透過率的明顯下降，說明入角度的不敏感性。由此認為在整個可見光波段，以利用多層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜提高太陽能光伏器件的吸收率。

4 結(jié)論

本文利用空氣球形亞波長結(jié)構(gòu)來降低普通光學(xué)玻璃的反射率。先利用理論計算分析反射球形氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對反射性能的影響，再利用軟件的仿真加以對比驗證。本文主要結(jié)論如下：

(1)針對普通光學(xué)薄膜在照射光大角度入射下，中心波長會隨著角度的增加像短波方向平移，且反射率會增大等缺點，首先根據(jù)相消干涉的原理設(shè)計了單層空氣球形膜結(jié)構(gòu)來減少薄膜的反射率并取得了不錯的成果。結(jié)果表明當(dāng)單層空氣球形結(jié)構(gòu)的周期與氣泡直接分別為108 nm與100 nm附近。我們設(shè)計的亞波長結(jié)構(gòu)可以針對中心波長450 nm光波段取得不錯的抗反射效果，但是在所設(shè)計波段外并未發(fā)生反射率降低的現(xiàn)象。

(2)針對單層膜結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計了雙層膜結(jié)構(gòu)的空氣球形結(jié)構(gòu)模型，選取雙層空氣球形結(jié)構(gòu)的最上層氣泡直徑為108 nm，第二層空氣球形直徑為137.5 nm。結(jié)果表明在446 nm～529 nm波段內(nèi)，雙層球形結(jié)構(gòu)薄膜的反射率低于0.04，抗反射效果明顯優(yōu)于單層球形結(jié)構(gòu)薄膜的抗反射效果。雙層光學(xué)薄膜微結(jié)構(gòu)可以有效降低光學(xué)薄膜對太陽光的反射，不僅可以提高太陽能電池效率還可以廣泛應(yīng)用與其他行業(yè)類似于平面顯示器、等離子電視、太陽能光伏玻璃表面以及光學(xué)成像系統(tǒng)等領(lǐng)域。