晶体硅太阳电池ZnS/MgF2减反射膜的设计与分析*

王进福， 张国富， 王芳， 李娥， 张蕊， 彭柳军

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.云南榕耀新能源有限公司，云南 昆明 650228；3.国家电力投资集团,北京 100036)

为了提高晶体硅太阳电池的发电效率，减反射技术必不可少；减反射技术包括两个方面，一是利用制绒技术，将太阳电池的表面腐蚀成绒面，增大太阳光与电池表面间相互作用的时间和次数[1-2]；二是在硅太阳电池表面制备一层或多层具有较好光学性能的减反射层.在过去几十年里，许多研究人员采用不同的方法和材料来制备不同的减反射膜，并对制备的减反膜减反效果影响因素进行分析[3-6].当前，常用的减反射膜主要包括ZnS、TiO2、SiO2、MgF2和SiN等[7]，其中，ZnS具有良好的机械性能和光学性能，一直是光电系统中经常选择的宽带隙材料，特别是在红外波段器件中应用尤为广泛；MgF2相较于其他材料有较低的折射率(n=1.38)，本身具有良好的热稳定性，并且在120～8 000 nm波长范围内具有较高的透射率，在紫外波段光学薄膜中具有很大的应用价值.由此，选择ZnS和MgF2材料作为晶体硅太阳电池的减反射膜,将λ=550 nm作为中心波段，利用TFCalc薄膜结构设计软件对晶体硅太阳电池ZnS/MgF2双层膜系进行分析模拟，得出太阳电池有效反射率Re最小时膜厚的最优理论设计值，同时对双层减反膜有效反射率Re的影响因素(各层膜厚、折射率和光入射角)进行分析，为今后实际生产制备ZnS/MgF2双层减反射膜提供理论指导.

1 原理

式中，2δk为两个相邻相干入射光束的相位差，δk=2πnkdk/λ,nk表示减反膜的折射率，dk表示膜层厚度，ns表示基底折射率，λ表示光波的波长.从而可得减反射膜的有效反射率[9]为

其中，F(λ)表示入射光子数的分布；R(λ)表示在一个相应波长λ处的反射率R；λ0和λg为模拟太阳光波长的上限和下限.

MgF2ZnSns

在ZnS/MgF2双层膜系结构图中，ns为基底折射率.计算时，ZnS和MgF2光学常数可以从光学常数手册中获得[10].

2 计算结果与分析

使用TFCalc薄膜设计分析软件，深入讨论了各层膜厚、折射率和光入射角对ZnS/MgF2双层膜系有效反射率的影响.

选取入射光为模拟太阳光，建立图1所示的模型，依次导入Si、ZnS和MgF2的光学常数(折射率和消光系数)，并在软件中选择单点优化模式进行优化，得出ZnS和MgF2的最佳物理厚度分别为67.86 nm和119.14 nm，最小有效反射率Remin=3.37%.优化后的反射率曲线如图2所示，在380～1 200 nm波段内，ZnS/MgF2双层膜系的反射率明显低于无减反射膜时的反射率，平均反射率相差31.82%，且双层膜系在550 nm和850 nm波长附近获得反射率的最小值，平均反射率小于1%，在整个波段中有较佳的减反射作用.

图2 有无减反射膜时的反射率对比曲线

2.1 单层薄膜厚度对双层膜系Re的影响

在380～1 200 nm波段内，对ZnS和MgF2单层膜厚进行改变，连续增大和减小10 nm，膜厚变化对有效反射率Re的影响如图3.在整个波段内，ZnS膜厚变化导致Re波动的范围最大，最高Re和最低Re相差5.14%.MgF2膜厚变化导致Re波动的范围较小，约有2.86%的波动.所以，在实际应用过程中，必须控制好各层膜厚，尤其是折射率较大的ZnS厚度误差.

图3 ZnS和MgF2薄膜厚度对有效反射率的影响

2.2 单层薄膜折射率对双层膜系Re的影响

在380～1 200 nm波段内，对ZnS和MgF2各层折射率进行改变，连续增大或减小0.1，折射率变化对有效反射率Re的影响可以见图4，两条曲线的交点为ZnS和MgF2各层折射率的理论设计值(n1=2.38，n2=1.38).MgF2折射率变化导致Re波动的范围相比于ZnS较大，Re随MgF2折射率的变化有约6.73%的波动，而随ZnS折射率的变化只有约1.59%的波动.当各层折射率在理论值的基础上不断增大时,Re随ZnS折射率的增加而增加,但是Re随MgF2折射率增大时，在0.1变化范围内会有0.31%的降低，然后逐渐增大.当各层折射率在理论值的基础上降低时，Re随ZnS和MgF2折射率的增大而增大.所以在实际应用中，可以通过降低MgF2的折射率来获得较低的Re.

图4 ZnS和MgF2折射率对有效反射率的影响曲线

2.3 其他误差对双层膜系Re的影响

在实际理论计算过程中，ZnS和MgF2的消光系数应加以限制，使其保持一个最小值，这样对计算的准确性影响较小.通过TFCalc分析得出，将ZnS和MgF2的消光系数加以控制，不发生大幅度的改变时，双层膜系有效反射率Re在380～1 200 nm波长范围内的变化幅值是可以忽略不计的.

在380～1 200 nm波长范围内，ZnS/MgF2双层膜系光入射角增大到10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，此时图5中曲线表示光入射角度对有效反射率Re的影响.从曲线图中能够看出，在增大光入射角后，在入射角0～30°范围内Re波动较小，约为0.18%，在30°～50°范围内缓慢增加，增幅约为1.74%.入射角在50°～80°范围内，Re急剧上升，增幅为33.81%.

图5 光入射角对有效反射率的影响曲线

3 结语

在实际进行镀膜的过程中，实验环境条件(例如氧气含量、基底温度及沉积速度等)会直接影响到薄膜的光学参数，为了充分实现设计的理论模拟，并为实际开发过程中相关技术工作的有效性提供指导，利用TFCalc软件对晶体硅太阳电池ZnS/MgF2双层减反射膜进行了优化设计，并在有效反射率Re最小时给出了最佳的厚度和反射曲线，同时分析双层膜系各层厚度、折射率和入射角对Re的影响.结果表明：(1)当ZnS和MgF2的最佳物理厚度分别为67.86nm和119.14nm时，在参考波长550nm处可取得最小有效反射率为3.37%；(2)折射率较高的ZnS的厚度对Re的影响大于MgF2，在减反射膜制备中，如能精确控制膜层厚度，保持实际厚度与理论计算值一致，有利于获得最佳的减反射效果.(3)适当地增大MgF2的折射率，可以得到更低的Re.