二氧化硅薄膜中微纳球型结构对可见光吸收性能影响

张 桐，刘孝丽，钟 浩，周利成，张 涵

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

目前光伏发电(PV)技术被认为是清洁且可再生的发电技术，被广泛应用；但是，常见的问题是高折射率(RI)的硅掺杂和超过30%的入射光从晶体硅表面反射回来，造成表面或界面处的反射损失，对太阳能电池的能量转换效率产生负面影响，大大降低了太阳能光电转换效率，在电池表面制备抗反射涂层是减少电池表面反射光，提高太阳能电池的光电转换效率的有效途径，利用上述原理，在传统的蒸镀多层镀膜或亚波长结构的基底上再制一层二氧化硅薄膜，并在膜中包覆一定比例的空气，可以形成一种新型空气球形光学抗反射薄膜微结构。该结构能有效增强太阳能薄膜的抗反射性能，极大减少太阳能电池的光反射损失。而本文主要研究太阳能光伏发电方向的内容，通过FDTD仿真研究可以模拟二氧化硅微纳球型对可见光性能影响，找到抗反射效果最好的二氧化硅薄膜结构；这种结构可以提高太阳能电池板对可见光的吸收性能，进而提高太阳能光电转换效率。二氧化硅微纳球型结构，具体如图1所示。

图1 二氧化硅微纳球型结构Fig.1 Silica micro-nano sphere structure

由图1可知，在太阳能电池板硅层上覆盖有一层薄膜，这层薄膜的材质为二氧化硅，再在二氧化硅薄膜层中包覆一些微纳球型结构，就可以得到二氧化硅抗反射薄膜结构。本文通过改变薄膜内微纳球型结构的尺寸、占空比、分布周期寻找抗反射效果最好的微纳球型结构，并探究其对可见光吸收性能的影响、微纳球型结构参数对反射效果的影响规律及其反射机理。

1 微纳球型结构空气占比

为探究二氧化硅薄膜内微纳球型结构的占比情况，我们可以先将微纳球型结构中的物质定为空气，因微纳球型结构在二氧化硅薄膜分布是具有周期性的，故在FDTD仿真模拟中只需要记录一个周期内的透过率，因此，要计算出二氧化硅薄膜内空气微纳球型结构的分布周期(两微纳球型结构之间的间距)，还需要计算出每一个微纳空气球型的尺寸。当在二氧化硅薄膜中包覆一些微纳空气球型结构时，会使二氧化硅薄膜的折射率改变，需要计算改变后薄膜的折射率随微纳空气结构的尺寸变化规律，在这里需要引入占空比f的概念(在二氧化硅结构中参杂空气的比例,也可表示为空气微纳球型结构直径与两微纳球型结构之间的间距的比值)，然后运用劳伦兹-洛伦兹公式计算出加入微纳空气结构后的折射率。

(1)

式中：为等效后的折射率；为占空比；表示基底的折射率为1.5。

表1为将填充空气的二氧化硅薄膜划分为10微元层,计算每一微元层薄片占空比和等效折射率后，得到各个边界处的菲涅耳反射率(基底介质的折射率为1.5,且光在正入射角情况下) 。此处为简化的侧面轮廓划分,每一薄层厚度约10 nm左右。

表1 每一薄片占空比和等效折射率及每个边界处的菲涅尔反射率Tab.1 Duty cycle and equivalent refractive index of each wafer and Fresnel reflectivity at each boundary

2 FDTD 模型与参数

运用薄膜干涉原理来确定微纳球型的各种参数，在微纳球形结构表面上反射的光，与在玻璃基底表面反射的光,需满足干涉相消的条件以减少入射光的反射。即当光程差达到：

2=(2+1)2

(2)

式中：=0，1，2，……；此时两束光相干相消减反射效果最佳。在AM1.5的太阳能光谱中，可知类中心波长=600；当=0时，=152，求得二氧化硅微纳球型结构薄膜厚度=98.68 nm，此时二氧化硅薄膜表面的减反射特性最强。光在材料表面的反射可以用菲涅尔方程描述，当光从一种具有折射率为的介质向另一种具有折射率为的介质传播时，在两者的交界处(通常称作界面)可能会同时发生光的折射和反射。二氧化硅薄膜内光的传播路径，如图2所示。

图2 二氧化硅薄膜内光的传播路径Fig.2 Light propagation path in silica film

如图2可知，、分别为空气-薄膜界面和界面-硅层基底界面的反射系数，则：

(3)

式中：为空气的折射率；为二氧化硅薄膜的折射率；为太阳能硅层基底的折射率，若要使抗反射薄膜的反射率最小，则应满足与相等，式(3)改写为

(4)

(5)

空气的折射率为1，太阳能硅层基底得折射率为152，将其代入式(5)，则得二氧化硅薄膜的折射率=123，对应占空比=为50.5%。

利用光的衍射原理来确定分布周期。利用空气微纳球型结构衍射原理简化认为入射光在微纳气泡结构中不会发生衍射的现象，当垂直入射的光波沿着图2路径入射硅片表面，此时衍射造成的光程差应满足式(5):

(sin+sin)=

(6)

其中，=(+)

(7)

对第1级的衍射来说，衍射角的最大值为90°,中心波长为600 nm，由式(7)计算可得空气微纳球形结构周期为=238.10 nm；其他情况下，衍射角都将小于90°，故空气球形膜纳米周期值应比238.10 nm大。利用占空比=计算得出气泡直径=120.24 nm。

通过计算出的数据建立起模型(如图3)，接下来是根据需要的仿真区域设置合适的边界条件，因为目前大部分太阳能电池板吸收的光为可见光，但是现状太阳能电池板所能利用的光大部分为400～800 nm波长的光，中心波长为600 nm，所以在FDTD软件中设置的光源就为400～800 nm内的平面光源,并在材料中设置时间监视器、反射光监视器、透射光监视器。设置反射率监视器记录点数为16个，在最后进行仿真模拟之前，得出数据并进行绘图。

图3 二氧化硅空气微纳球型结构Fig.3 silica air micro-nano sphere structure

3 结果分析与讨论

3.1 薄膜内填充有气泡与无气泡仿真结构的反射率对比

相较于普通无添加气泡的二氧化硅薄膜，添加了微纳空气球型结构的二氧化硅薄膜的反射率明显更低。从图4中可以看到，有气泡的薄膜结构在中心波长600 nm左右相较于无气泡的薄膜结构具有较好的反射率，利用控制变量法，改变空气微纳球型结构的周期以探究不同空气微纳球型结构对反射率的影响，并寻找最好的空气微纳球型结构。

图4 薄膜内填充有气泡与无气泡仿真结构的反射率Fig.4 Reflectance of simulated structures filled with and without bubbles in the film

3.2 单层气泡空气膜减少光反射的研究

在FDTD软件中改变空气微纳球型结构的周期，并记录数据，选取0、120和240 nm绘制折线图进行比较。由图5可知，当空气球型微纳结构直径固定不变，空气微纳球型结构的不同周期对应的反射率也各不相同；从图5中还可看到，在中心波长600 nm左右，空气微纳球型结构周期为120 nm时对应的反射率较小；在整体波长400～800 nm内，空气微纳球型结构周期为240 nm时反射率较小。

图5 空气微纳球型结构周期为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

在空气微纳球型结构周期为120 nm保持不变，改变空气微纳球型结构的直径来对比不同的反射率，选取空气微纳球型结构直径为60、120和180 nm绘制折线图进行比较。

由图6可知，当空气微纳球型结构周期保持为120 nm不变时，改变空气微纳球型结构的直径时，其反射率也会随之相应改变。直径为60 nm和120 nm的空气微纳球型结构相较于直径为180 nm的折射率较小；但是在中心波长为600 nm左右时，空气微纳球型结构直径为60 nm的反射率最小。

图6 空气微纳球型结构直径为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

设计空气微纳球型结构周期和直径分别为120、60 nm的结构，并在波长为400～800 nm光源下进行FDTD仿真模拟，记录数据并画出折线图。在波长470～750 nm的反射率最低，中波长的光，是被太阳能电池的主体吸收的，激发的载流子也容易进入外部电路，量子效率较高。因此，一般来说，太阳能电池对中波长的光(比如蓝光、绿光、红光)，响应比较好。而中波长的470～750 nm的光主要由红光、蓝光、绿光组成，因此接下来我们需要探究在红光、绿光和蓝光波长范围内对应空气微纳球型结构的反射率情况，并进行理论分析。

3.3 不同颜色光照下微纳球型结构及其反射率

经过以上模拟计算，可以知道二氧化硅薄膜在波长400～800 nm内的反射率，但是不是在所有波长范围内都能使空气微纳球型结构的反射率减小，只是在某一波长范围内使其反射率减小。由图7可知，二氧化硅微纳球型的周期和直径分别为120 nm和60 nm的结构在波长470～750 nm内反射率为最小；而这一波长范围一般称之为中波长，中波长的光，是被太阳能电池的主体吸收的，激发的载流子也容易进入外部电路，量子效率较高。有些太阳能发电站，为了提升经济收益，会在太阳能发电板之间种植一些经济作物用以提高经济效益，对于植物来说不同波长范围的光对植物生理影响不同，植物对不同波长的光的影响如下：

476～495 nm(蓝光):叶绿素与类胡罗卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；

492～577 nm(绿光)：色素的吸收效率不高；

577～770 nm(红光)：叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响；

从以上数据可知，不同波长范围的光，对于植物光合作用的影响不同，波长在400～720 nm是植物光合作用所需要的光的波长，对植物光合作用最好的波长是476～495 nm(蓝光)和577～770 nm(红光)。

由此可知，不同颜色的光照不仅对太阳能电池板上面的二氧化硅薄膜的反射率有影响也对植物的光合作用有所影响，因此，可以讨论不同颜色的光照射对应空气微纳球型结构的反射率的影响。

4 结果分析与讨论

已知蓝光的波长为476～495 nm,其中心波长为4 800 nm；二氧化硅薄膜的相关参数可以依据“2.1 模型的建立”式(2)进行计算得出二氧化硅空气微纳球型结构薄膜厚度=78.94 nm。因为二氧化硅薄膜内包覆的球型结构还是空气，因此薄膜内占空比不变还是为50.5%，根据式(7)计算出空气微纳球型结构周期=190.48 nm,根据占空比=计算出空气微纳球型结构直径=96.19 nm，用计算出的数据在FDTD软件中建立出结构模型，并进行仿真，得出数据画出折线图。

已知绿光的波长为492～577 nm,其中心波长为530 nm；二氧化硅薄膜的相关参数可以依据“2.1 模型的建立”式(2)进行计算得出二氧化硅空气微纳球型结构薄膜厚度=87.17 nm。因为二氧化硅薄膜内报复的球型结构还是空气，因此薄膜内占空比不变还是为50.5%，根据式(7)计算出空气微纳球型结构周期=210.32 nm,根据占空比=计算出空气微纳球型结构直径=106.21 nm，用计算出的数据在FDTD软件中建立出结构模型，并进行仿真，得出数据画出折线图。

2种二氧化硅空气微纳球型结构反射率，结果如图7所示。

图7 2种二氧化硅空气微纳球型结构反射率Fig.7 Reflectance of two silica air microspheres

由图7可以看到，当波长为400～460 nm时，红光下结构反射率较小；但波长为460～800 nm时，第1种的结构反射率更低。因此，在设计二氧化硅抗反射薄膜时应选用第1种的结构，即在二氧化硅空气微纳球型的周期和直径分别为120 nm和60 nm时。

5 结语

本文主要讨论在二氧化硅薄膜内参入微纳球型结构对二氧化硅薄膜的反射率的影响，首先确定微纳球型结构内部物质为空气，然后先运用所学知识和查阅的资料计算分析出空气微纳球型结构的结构尺寸与周期对于二氧化硅薄膜反射率的影响，再用FDTD模拟软件进行模拟仿真，根据得出的反射率数据进行理论分析，得出的结论为：

首先确定光的入射方向都为90°，参入了空气微纳球型结构的光学薄膜比较普通的光学薄膜有更好的抗反射效果，通过几次的控制变量模拟，可以得出当空气微纳球型结构的直径与周期分别为60 nm和120 nm是对于400～800 nm波长的光源有比较好的抗反射效果。

对于有太阳能发电厂会在太阳能电池板之间种植一些农作物，以提高经济效益，根据植物对不同颜色光照的敏感性探究不同颜色光照下空气微纳球型结构及其反射绿，最后得出在红色光照下，不仅使参入了空气微纳球型结构光学薄膜的反射率最低可达到8%以下，还对太阳能电池板之间种植的农作物的光合作用与光周期效应有显著影响，红光下空气微纳球型结构的直径与周期分别为142.28 nm和116.78 nm。

参入了空气微纳球型结构光学薄膜广泛应用于光伏发电产业，使光伏发电行业对太阳光的利用率的得到提高，还有一些光学供能器件上也会使用这种光学薄膜，比如显示器，相机的镜头等，也使它们在技术上得到提高。