收稿日期:2010-01-12
基金项目：安徽省自然科学基金(090412038)
作者简介：高华(1982-)，男，四川资阳人，工程师，研究方向为硅太阳电池技术；解光军(1970-)，男，安徽合肥人，博士，教授，研究方向为集成电路设计.
高 华1，岳洋洋2，杨文华2，解光军2
(1.上海超日太阳能科技股份有限公司，上海 201406;2.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)
摘 要：基于非晶硅太阳电池的工作原理，对其减反射膜进行研究.根据四分之一波长作用原理得到反射率最小时的厚度优化参数.单层减反射膜选用ITO (n =2.0,d =75nm )，加权平均反射率为5.91%.双层膜选用MgF 2/ITO ，厚度分别为111
nm 和75nm ，加权平均反射率为3.72%.此外，还作出反射率随波长的变化曲线，并通过计算仿真结果进行比较说明如何选
材：对于单层减反射膜，采用折射率小的材料能取得更好的效果，而对于双层减反射膜，采用折射率上低下高形式，能取得更好的效果.
关键词：非晶硅；减反射膜；反射率
中图分类号:T M914.4+2 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)01-0041-04
Design of Anti 2R eflection Coating for A 2Si Solar Cell
G AO Hua 1,YU E Yang 2yang 2,YAN G Wen 2hua 2,XIE Guang 2jun 2
(1.S hanghai Chaori Solar Energy Science &Technology Co.L td.,S hanghai 201406,China ;
2.School of Elect ronic Science &A pplied Physics ,Hef ei U niversity of Technology ,Hef ei 230009,China )
Abstract :The anti 2reflection coating is researched theoretically based on the principle of the amor
phous sili 2con solar cell.Following the quarter 2wavelength action principle ,the optimized thickness parameters can be ob 2tained by computing the minimal reflectivity of the anti 2reflection coatings.The single 2layer anti 2reflection coat 2ing adopts ITO (n =2.0,d =75nm )with the weighted average reflectance of 5.91%;the double 2layer anti 2re 2flection coating uses MgF 2/ITO with the thickness of 111nm and 75nm ,and the weighted average reflectance of 3.72%.In addition ,the variation curve of reflectivity with the wavelength is put forward to explain how to select materials according to the results calculated by the computer program :as for single 2layer anti 2reflection coatings ,the materials with a small refractive index can achieve good results ,and for the double 2layer anti 2re 2flection coatings ,the materials with the low (up )/high (down )form of refractive index can get better effect.
K ey w ords :amorphous silicon ;anti 2reflection coating ;reflectivity 相对于晶体硅太阳电池而言，非晶硅太阳电池具有对可见光的吸收强、价格低廉、高温性能好以及能量回收周期短等优点.它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的光电器件，其光电转换效率定义为总输出功率与入射到太阳电池表面的太阳光总功率的比值，主要取决于2个方面，首先
是太阳电池对入射光的吸收率，对于裸硅太阳电池，当光入射到电池表面时约有三分之一的光被反射，从而使得电池对入射光的吸收减少；其次是半导体材料本身的性质对于效率的影响.文中研究如何
减少电池表面对光的反射，以提高太阳电池开路电压，短路电流，填充因子等各方面的电性能[1,2].
第25卷第1期2010年2月 光电技术应用
EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION
Vol.25,No.1February.2010
对于非晶硅太阳电池表面的透明导电膜既作为电池的上电极收集载流子，又可以当作减反射膜以 降低太阳光在电池表面的反射，而透明导电膜材料的选择以及厚度的大小直接影响着光在电池表面的反射，因此有必要对透明导电膜进行优化设计，以得到最小的反射率.此外，还将研究在透明导电膜上再制备单层或双层减反射膜对入射光反射率的影响.对于不同材料、不同膜层数的减反射系统，设计其最佳厚度.文中将在深入研究非晶硅太阳电池原理的基础上，通过计算机仿真得到电池反射率最低时膜系的各个最佳参数.
1 原 理
1.1 减反射膜的四分之一波长原理
如图1所示，从第二个界面返回到第一个界面的反射光与从第一个界面的反射光相位差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者[1,3]
.
图1 由四分之一波长减反射膜产生的干涉效应
在正常入射光束中从覆盖了一层厚度为d 1的透明层材料表面反射能量所占比例即反射率R 为
R =
r 2
1+r 2
2+2r 1r 2cos2θ
1+r 21r 2
2+2r 1r 2cos2
θ(1)其中，不同层的折射率r 1、r 2和反射角度θ可
跌落实验台
由下式得出
r 1=
n 0-n 1n 0+n 1 r 2=n 1-n 2n 1+n 2
θ=2
πn 1d 1λ(2)
当n 1d 1=λ0/4时，反射有最小值为
R min =(
n 2
1-n 0n 2
n 2
1+n 0n 2
)2
(3)
可见如果减反射膜的折射率是两边材料折射率的几何平均值，则反射值为零.一些常用减反射膜材料的折射率如表1所示[4,5].1.2 电池的加权平均反射率
太阳光分布在一个较大的波长范围内，对太阳
表1 制作单层或多层减反射膜所用材料的折射系数
材料
折射系数
MgF 2 1.3～1.4SiO 2 1.4～1.5Al 2O 3
1.8～1.9SiO 1.8～1.9Si 3N 4 1.9TiO 2
2.3Ta 2O 5 2.1～2.3ZnS
2.3～2.4
电池要求在一个较宽的光谱范围内有良好的减反射效果.由硅材料的内部量子效率可知，此光谱范围为350～1120nm.
由单个波长点反射率、入射光子通量、硅材料的内部量子效率，可计算出在整个光谱范围内的加权平均反射率为
R W =
∫
λ2λ1
F (λ
)Q (λ)R (λ)d λ∫
λ2
λ1
F (λ
)Q (λ)d λ(4)
式中,F (λ
)为入射光子通量，公式为F (λ
)=V P (5)
式中,V 为该波长光的相对视敏度;P 为其辐射功率.Q (λ
)为硅的内部量子效率，由图2得到;R (λ)为减反射膜在对应波长点的反射率，由式(1)、式(2)
得到;λ1、λ2为光谱波长上下限,λ1=350nm 、λ2=
热轧酸洗
1120nm.加权平均透射率为ΤW =1-R W
.
图2 硅材料的内部量子效率
加权平均反射率可给出整个波长范围内平均反
射率的具体值，由加权平均反射率值可以很准确地判断出膜系在硅的光谱响应范围内总的减反射效果.
2 减反射膜设计分析
在以下的讨论中取中心波长为600nm ，变化曲
线的波长单位为nm [6].
24
光 电 技 术 应 用 第25卷
2.1 单层透明导电膜
在单层透明导电膜的情况下，一般选择ITO (n =2.0)和SnO 2(n =2.09)作为透明导电电极，根据四分之一波长原理，其厚度分别为75nm 和72nm [7].
图3为ITO (n =2.0)和SnO 2(n =2.09)单层膜的反射率随波长的变化曲线，由图3可知，它们都能在600nm 左右的地方取得最小值.经过计算,ITO (n =2.0)的加权平均反射率为5.91%，而SnO 2的加权平均反射率为6.41%.由此可见，在整个光谱响应波长范围内,ITO (n =2.0)有更好的减反射效果磁性输送带
.
图3 单层透明导电膜反射率R 随波长λ的变化曲线
2.2 透明导电膜+单层减反射膜
一般情况下减反射膜材料为MgF 2(n =1.35)、SiO 2(n =1.46)、Al 2O 3(n =1.9)、TiO 2(n =2.3)，透明导电膜的材料为ITO (n =2.0)和SnO 2(n =2.09)[8].
为了说明问题，首先选择2种组合，即MgF 2/ITO (d =111nm 、75nm ),TiO 2/ITO (d =65nm 、75nm )，它们的反射率随波长的变化曲线如图4.从图4中可以看出，在光谱响应范围内，透明导电膜与低
折射率减反射膜的组合比低折射率透明导电膜加高
图4 透明导电膜+单层减反射膜反射率
R 随波长λ的变化曲线
折射率减反射膜的效果好.上面两种组合的加权平均反射率分别为3.72%和30.53%，由此可见,
MgF 2/ITO 明显优于TiO 2/ITO.
孔板波纹规整填料比较图3与图4可知，在两层膜的情况下，在很大的波长范围内都有较小的反射率，而单层膜只在单个波长点附近有较小的反射率.
再看另外两种情况,SiO 2/ITO (d =103nm 、75nm )和MgF 2/ITO (d =111nm 、75nm )，反射率随波长的变化曲线如图5所示，在300～450nm 和900～1500nm 范围内,SiO 2/ITO 优于MgF 2/ITO ；而在450～900nm 范围内,MgF 2/ITO 明显优于SiO 2/ITO.经过计算,SiO 2/ITO 的加权平均反射率为5.57%，而MgF 2/ITO 的加权平均反射率为3.72%，可见在相同情况下减反射膜材料的折射率
低一些效果会更好.
综上得到如下结论，即设计两层膜的时候，选择材料应遵循两层膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些的原则
.
图5 透明导电膜+单层透明导电膜反射率
R 随波长λ的变化曲线
2.3 透明导电膜+双层减反射膜
在此设计了两种三层膜系,MgF 2/SiO 2/ITO 和SiO 2/MgF 2/ITO ，透明导电膜始终不变，只是交换两
种减反射膜的位置,MgF 2、SiO 2、ITO
的厚度分别为
图6 双层减反射膜+透明导电膜反射率
R 随波长变化曲线
3
4第1期 高华等：非晶硅太阳电池减反射膜的设计
111、103、75nm.运行后的图形如图6，计算其加权平均反射率分别为7.26%和11.63%，可见MgF2/ SiO2/ITO的组合要优于SiO2/MgF2/ITO.
可得如下结论，如果要设计单层透明导电膜加两层减反射膜的结构，两种减反射膜的位置关系最好是上面一层的折射率低一些而下面一层的高一些，这样能取得更好的减反射效果.
3 结 束 语
就如何设计非晶硅太阳电池减反射膜的最优参数问题进行计算机仿真，并讨论了几种应用广泛的减反射膜材料的优化设计.在整个非晶硅的光谱响应范围内，对于单层透明导电膜，折射率小的材料如ITO
的反射效果更好，对于两层膜的情况，在可见光谱范围内，在透明导电膜上加上一层比其折射率低的减反射膜，这样的组合会比低折射率的透明导电膜加上一层高折射率的减反射膜的效果好，并且在一定范围内，膜层越多效果越好.
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(上接第21页)
今后光伏系统在国内的推广使用.因此作为光伏产业中的一员，需要加强对实际应用系统的经验积累，综合考量用户的成本和系统的稳定.
随着产业技术的革新，新材料、太阳能电池的转化效率、蓄电池的性价、中间控制转换环节的改善，成本必然会大大降低.相信太阳能照明系统在很多场合完全可以取代传统照明系统，逐渐走进寻常百姓家.同时也会在很大程度上改善能源结构和减轻环保压力，增强我国的能源安全.
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44 光 电 技 术 应 用 第25卷
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