太阳电池减反射膜最佳厚度的数值计算

魏晋云

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

引 言

影响硅太阳电池效率的一个重要因素是入射到电池表面上光的反射损失，太阳电池的减反射膜可以使光的反射大大减小，使短路电流有很大增加.选取减反射膜匹配的折射率和膜层的厚度，可以使太阳电池在所工作的光谱范围内获得最佳的减反射效果.国内外对太阳电池减反射膜的研究多集中在多层膜系上[1-5].实际上，太阳电池应用更多的是单层减反射膜.当单层减反射膜的折射率确定时，减反射膜的最佳厚度也确定.本文数值计算单层减反射膜的反射公式，得到了硅太阳电池一氧化硅减反射膜反射最小的最佳厚度.

1 理论计算

在半导体硅的表面制备一层减反射介质膜，反射率由下式给出

(1)

式中，r1、r2为界面上的菲涅尔反射系数，Δ为膜层厚度引起的位相角.

(2)

(3)

地面太阳光谱能量的峰值为0.5 μm，而硅太阳电池的相对响应峰值0.8～0.9 μm，因此适当的减反射效果最好的波长为0.5～0.7 μm，由此可取中心波长0.6 μm.最佳厚度的硅太阳电池减反射膜应呈深蓝色.本文在0.4～1 μm波长范围内进行研究.

硅的折射率可表示为

(4)

一氧化硅薄膜的折射率可表示为

(5)

用MATLAB对以上公式数值计算，就能得到大气中一氧化硅减反射膜的不同厚度的反射曲线，如图1所示.0.075 8 μm为一氧化硅减反射膜的最佳厚度.

图1 不同厚度减反射膜的反射曲线

根据图1，可以数值计算反射曲线下的面积，反射曲线下面积即积分为减反射膜的全反射率.面积越小，反射越小.表1为减反射膜厚度与反射曲线下面积(全反射率)的关系.

表1 减反射膜厚度与反射的关系

由表1可以看出，减反射膜的最佳厚度应在0.07～0.08 μm之间，在此范围内，反射最小.

2 结 论

由反射公式，可以数值计算出硅太阳电池一氧化硅减反射膜的反射率.减反射膜厚度在0.07～0.08 μm之间反射最小.

[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] 王永东，崔容强，徐秀琴.太阳电池减反射膜系统的研究[J].太阳能学报，2001，22(3):317-321.

[4] 杨文华，吴鼎祥，李红波．空间高效硅太阳电池减反射膜设计与数值分析[J]．半导体学报，2004，25(9)：1118-1122.

[5] 杨文华，李红波，吴鼎祥．太阳电池减反射膜设计与分析[J]．上海大学学报:自然科学版，2004，10(1)：39-42.