二氧化硅薄膜中微納球型結構對可見光吸收性能影響

張 桐，劉孝麗，鐘 浩，周利成，張 涵

(榆林學院，陜西 榆林 719000)

目前光伏發(fā)電(PV)技術被認為是清潔且可再生的發(fā)電技術，被廣泛應用；但是，常見的問題是高折射率(RI)的硅摻雜和超過30%的入射光從晶體硅表面反射回來，造成表面或界面處的反射損失，對太陽能電池的能量轉換效率產(chǎn)生負面影響，大大降低了太陽能光電轉換效率，在電池表面制備抗反射涂層是減少電池表面反射光，提高太陽能電池的光電轉換效率的有效途徑，利用上述原理，在傳統(tǒng)的蒸鍍多層鍍膜或亞波長結構的基底上再制一層二氧化硅薄膜，并在膜中包覆一定比例的空氣，可以形成一種新型空氣球形光學抗反射薄膜微結構。該結構能有效增強太陽能薄膜的抗反射性能，極大減少太陽能電池的光反射損失。而本文主要研究太陽能光伏發(fā)電方向的內容，通過FDTD仿真研究可以模擬二氧化硅微納球型對可見光性能影響，找到抗反射效果最好的二氧化硅薄膜結構；這種結構可以提高太陽能電池板對可見光的吸收性能，進而提高太陽能光電轉換效率。二氧化硅微納球型結構，具體如圖1所示。

圖1 二氧化硅微納球型結構Fig.1 Silica micro-nano sphere structure

由圖1可知，在太陽能電池板硅層上覆蓋有一層薄膜，這層薄膜的材質為二氧化硅，再在二氧化硅薄膜層中包覆一些微納球型結構，就可以得到二氧化硅抗反射薄膜結構。本文通過改變薄膜內微納球型結構的尺寸、占空比、分布周期尋找抗反射效果最好的微納球型結構，并探究其對可見光吸收性能的影響、微納球型結構參數(shù)對反射效果的影響規(guī)律及其反射機理。

1 微納球型結構空氣占比

為探究二氧化硅薄膜內微納球型結構的占比情況，我們可以先將微納球型結構中的物質定為空氣，因微納球型結構在二氧化硅薄膜分布是具有周期性的，故在FDTD仿真模擬中只需要記錄一個周期內的透過率，因此，要計算出二氧化硅薄膜內空氣微納球型結構的分布周期(兩微納球型結構之間的間距)，還需要計算出每一個微納空氣球型的尺寸。當在二氧化硅薄膜中包覆一些微納空氣球型結構時，會使二氧化硅薄膜的折射率改變，需要計算改變后薄膜的折射率隨微納空氣結構的尺寸變化規(guī)律，在這里需要引入占空比f的概念(在二氧化硅結構中參雜空氣的比例,也可表示為空氣微納球型結構直徑與兩微納球型結構之間的間距的比值)，然后運用勞倫茲-洛倫茲公式計算出加入微納空氣結構后的折射率。

(1)

式中：為等效后的折射率；為占空比；表示基底的折射率為1.5。

表1為將填充空氣的二氧化硅薄膜劃分為10微元層,計算每一微元層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(基底介質的折射率為1.5,且光在正入射角情況下) 。此處為簡化的側面輪廓劃分,每一薄層厚度約10 nm左右。

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Tab.1 Duty cycle and equivalent refractive index of each wafer and Fresnel reflectivity at each boundary

2 FDTD 模型與參數(shù)

運用薄膜干涉原理來確定微納球型的各種參數(shù)，在微納球形結構表面上反射的光，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。即當光程差達到：

2=(2+1)2

(2)

式中：=0，1，2，……；此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，可知類中心波長=600；當=0時，=152，求得二氧化硅微納球型結構薄膜厚度=98.68 nm，此時二氧化硅薄膜表面的減反射特性最強。光在材料表面的反射可以用菲涅爾方程描述，當光從一種具有折射率為的介質向另一種具有折射率為的介質傳播時，在兩者的交界處(通常稱作界面)可能會同時發(fā)生光的折射和反射。二氧化硅薄膜內光的傳播路徑，如圖2所示。

圖2 二氧化硅薄膜內光的傳播路徑Fig.2 Light propagation path in silica film

如圖2可知，、分別為空氣-薄膜界面和界面-硅層基底界面的反射系數(shù)，則：

(3)

式中：為空氣的折射率；為二氧化硅薄膜的折射率；為太陽能硅層基底的折射率，若要使抗反射薄膜的反射率最小，則應滿足與相等，式(3)改寫為

(4)

(5)

空氣的折射率為1，太陽能硅層基底得折射率為152，將其代入式(5)，則得二氧化硅薄膜的折射率=123，對應占空比=為50.5%。

利用光的衍射原理來確定分布周期。利用空氣微納球型結構衍射原理簡化認為入射光在微納氣泡結構中不會發(fā)生衍射的現(xiàn)象，當垂直入射的光波沿著圖2路徑入射硅片表面，此時衍射造成的光程差應滿足式(5):

(sin+sin)=

(6)

其中，=(+)

(7)

對第1級的衍射來說，衍射角的最大值為90°,中心波長為600 nm，由式(7)計算可得空氣微納球形結構周期為=238.10 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比238.10 nm大。利用占空比=計算得出氣泡直徑=120.24 nm。

通過計算出的數(shù)據(jù)建立起模型(如圖3)，接下來是根據(jù)需要的仿真區(qū)域設置合適的邊界條件，因為目前大部分太陽能電池板吸收的光為可見光，但是現(xiàn)狀太陽能電池板所能利用的光大部分為400～800 nm波長的光，中心波長為600 nm，所以在FDTD軟件中設置的光源就為400～800 nm內的平面光源,并在材料中設置時間監(jiān)視器、反射光監(jiān)視器、透射光監(jiān)視器。設置反射率監(jiān)視器記錄點數(shù)為16個，在最后進行仿真模擬之前，得出數(shù)據(jù)并進行繪圖。

圖3 二氧化硅空氣微納球型結構Fig.3 silica air micro-nano sphere structure

3 結果分析與討論

3.1 薄膜內填充有氣泡與無氣泡仿真結構的反射率對比

相較于普通無添加氣泡的二氧化硅薄膜，添加了微納空氣球型結構的二氧化硅薄膜的反射率明顯更低。從圖4中可以看到，有氣泡的薄膜結構在中心波長600 nm左右相較于無氣泡的薄膜結構具有較好的反射率，利用控制變量法，改變空氣微納球型結構的周期以探究不同空氣微納球型結構對反射率的影響，并尋找最好的空氣微納球型結構。

圖4 薄膜內填充有氣泡與無氣泡仿真結構的反射率Fig.4 Reflectance of simulated structures filled with and without bubbles in the film

3.2 單層氣泡空氣膜減少光反射的研究

在FDTD軟件中改變空氣微納球型結構的周期，并記錄數(shù)據(jù)，選取0、120和240 nm繪制折線圖進行比較。由圖5可知，當空氣球型微納結構直徑固定不變，空氣微納球型結構的不同周期對應的反射率也各不相同；從圖5中還可看到，在中心波長600 nm左右，空氣微納球型結構周期為120 nm時對應的反射率較?。辉谡w波長400～800 nm內，空氣微納球型結構周期為240 nm時反射率較小。

圖5 空氣微納球型結構周期為60、120和240 nm的反射率Fig.5 Reflectance of 60,120 and 240 nm of air-sphere micro-nano structure period

在空氣微納球型結構周期為120 nm保持不變，改變空氣微納球型結構的直徑來對比不同的反射率，選取空氣微納球型結構直徑為60、120和180 nm繪制折線圖進行比較。

由圖6可知，當空氣微納球型結構周期保持為120 nm不變時，改變空氣微納球型結構的直徑時，其反射率也會隨之相應改變。直徑為60 nm和120 nm的空氣微納球型結構相較于直徑為180 nm的折射率較小；但是在中心波長為600 nm左右時，空氣微納球型結構直徑為60 nm的反射率最小。

圖6 空氣微納球型結構直徑為60、120和180 nm的反射率Fig.6 Reflectance of air spherical micro-nano structure with diameters of 60,120 and 180 nm

設計空氣微納球型結構周期和直徑分別為120、60 nm的結構，并在波長為400～800 nm光源下進行FDTD仿真模擬，記錄數(shù)據(jù)并畫出折線圖。在波長470～750 nm的反射率最低，中波長的光，是被太陽能電池的主體吸收的，激發(fā)的載流子也容易進入外部電路，量子效率較高。因此，一般來說，太陽能電池對中波長的光(比如藍光、綠光、紅光)，響應比較好。而中波長的470～750 nm的光主要由紅光、藍光、綠光組成，因此接下來我們需要探究在紅光、綠光和藍光波長范圍內對應空氣微納球型結構的反射率情況，并進行理論分析。

3.3 不同顏色光照下微納球型結構及其反射率

經(jīng)過以上模擬計算，可以知道二氧化硅薄膜在波長400～800 nm內的反射率，但是不是在所有波長范圍內都能使空氣微納球型結構的反射率減小，只是在某一波長范圍內使其反射率減小。由圖7可知，二氧化硅微納球型的周期和直徑分別為120 nm和60 nm的結構在波長470～750 nm內反射率為最?。欢@一波長范圍一般稱之為中波長，中波長的光，是被太陽能電池的主體吸收的，激發(fā)的載流子也容易進入外部電路，量子效率較高。有些太陽能發(fā)電站，為了提升經(jīng)濟收益，會在太陽能發(fā)電板之間種植一些經(jīng)濟作物用以提高經(jīng)濟效益，對于植物來說不同波長范圍的光對植物生理影響不同，植物對不同波長的光的影響如下：

476～495 nm(藍光):葉綠素與類胡羅卜素吸收比例最大，對光合作用影響最大；

492～577 nm(綠光)：色素的吸收效率不高；

577～770 nm(紅光)：葉綠素吸收率低，對光合作用與光周期效應有顯著影響；

從以上數(shù)據(jù)可知，不同波長范圍的光，對于植物光合作用的影響不同，波長在400～720 nm是植物光合作用所需要的光的波長，對植物光合作用最好的波長是476～495 nm(藍光)和577～770 nm(紅光)。

由此可知，不同顏色的光照不僅對太陽能電池板上面的二氧化硅薄膜的反射率有影響也對植物的光合作用有所影響，因此，可以討論不同顏色的光照射對應空氣微納球型結構的反射率的影響。

4 結果分析與討論

已知藍光的波長為476～495 nm,其中心波長為4 800 nm；二氧化硅薄膜的相關參數(shù)可以依據(jù)“2.1 模型的建立”式(2)進行計算得出二氧化硅空氣微納球型結構薄膜厚度=78.94 nm。因為二氧化硅薄膜內包覆的球型結構還是空氣，因此薄膜內占空比不變還是為50.5%，根據(jù)式(7)計算出空氣微納球型結構周期=190.48 nm,根據(jù)占空比=計算出空氣微納球型結構直徑=96.19 nm，用計算出的數(shù)據(jù)在FDTD軟件中建立出結構模型，并進行仿真，得出數(shù)據(jù)畫出折線圖。

已知綠光的波長為492～577 nm,其中心波長為530 nm；二氧化硅薄膜的相關參數(shù)可以依據(jù)“2.1 模型的建立”式(2)進行計算得出二氧化硅空氣微納球型結構薄膜厚度=87.17 nm。因為二氧化硅薄膜內報復的球型結構還是空氣，因此薄膜內占空比不變還是為50.5%，根據(jù)式(7)計算出空氣微納球型結構周期=210.32 nm,根據(jù)占空比=計算出空氣微納球型結構直徑=106.21 nm，用計算出的數(shù)據(jù)在FDTD軟件中建立出結構模型，并進行仿真，得出數(shù)據(jù)畫出折線圖。

2種二氧化硅空氣微納球型結構反射率，結果如圖7所示。

圖7 2種二氧化硅空氣微納球型結構反射率Fig.7 Reflectance of two silica air microspheres

由圖7可以看到，當波長為400～460 nm時，紅光下結構反射率較??；但波長為460～800 nm時，第1種的結構反射率更低。因此，在設計二氧化硅抗反射薄膜時應選用第1種的結構，即在二氧化硅空氣微納球型的周期和直徑分別為120 nm和60 nm時。

5 結語

本文主要討論在二氧化硅薄膜內參入微納球型結構對二氧化硅薄膜的反射率的影響，首先確定微納球型結構內部物質為空氣，然后先運用所學知識和查閱的資料計算分析出空氣微納球型結構的結構尺寸與周期對于二氧化硅薄膜反射率的影響，再用FDTD模擬軟件進行模擬仿真，根據(jù)得出的反射率數(shù)據(jù)進行理論分析，得出的結論為：

首先確定光的入射方向都為90°，參入了空氣微納球型結構的光學薄膜比較普通的光學薄膜有更好的抗反射效果，通過幾次的控制變量模擬，可以得出當空氣微納球型結構的直徑與周期分別為60 nm和120 nm是對于400～800 nm波長的光源有比較好的抗反射效果。

對于有太陽能發(fā)電廠會在太陽能電池板之間種植一些農(nóng)作物，以提高經(jīng)濟效益，根據(jù)植物對不同顏色光照的敏感性探究不同顏色光照下空氣微納球型結構及其反射綠，最后得出在紅色光照下，不僅使參入了空氣微納球型結構光學薄膜的反射率最低可達到8%以下，還對太陽能電池板之間種植的農(nóng)作物的光合作用與光周期效應有顯著影響，紅光下空氣微納球型結構的直徑與周期分別為142.28 nm和116.78 nm。

參入了空氣微納球型結構光學薄膜廣泛應用于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，使光伏發(fā)電行業(yè)對太陽光的利用率的得到提高，還有一些光學供能器件上也會使用這種光學薄膜，比如顯示器，相機的鏡頭等，也使它們在技術上得到提高。