3.减反射技术和减反射原理.doc

. 第3章减反射原理和减反射技术 硅材料的光学特性晶体硅材料的光学特性,是决定晶体硅太阳电池极限效率的关键因素,也是太阳电池制造工艺设计的依据。 光在硅片上的反射、折射和透射照射到硅片表面的光遵守光的反射、折射定律。如图 所示,表面平整的硅片放置在空气中, 有一束强度为 0I 的光照射前表面时,将在入射点 O 发生反射和折射。以 0I ?表示反射光强度, 1I 表示折射光强度。这时入射角?等于反射角 r ,并且 n nv c v cv v '''' sin sin?????( 3-1 ) 图 3-2光在半导体薄片上的反射、折射和透射图 3-3 计算表面反射的二维模型 Fig 3-2 Light reflection, infraction and Fig 3-3 2D model for surface reflection transition on semiconductor sheet. calculate. 式中??为入射光进入硅中的折射角, v 、'v 分别为空气及硅中的光速, n 、'n 分别为空气及硅的折射率, c 为真空中的光速。任何媒质的折射率都等于真空中的光速与该媒质中的光速之比。 1I 在硅片内的另一个表面以角度???发生入射及反射,反射光强度以 1I ?表示,强度为 2I 的光在 o ?点沿与法线 NN ?成?角度的方向透射出后表面。定义反射光强度 0I ?与入射光强度 0I 之比为反射率,以 R 表示;透射光强度 2I 与入射光强度 0I 之比为透射率,以 T 表示。当介质材料对光没有吸收时, 1??RT 。半导体材料对光有吸收作用,因此,还要考虑材料对光的吸收率。光垂直入射到硅片表面时,反射率可以表示为: . 210 2100 '0)( )(nn nnI IR????( 3-2 ) 当入射角为?时,折射角为??,则反射率可以表示为: }( )()( sin )( sin {2 1 ' ''2 '20 '0??????????????? tg tg I IR ( 3-3 ) 一般说来,折射率大的材料,其反射率也较大。太阳电池用的半导体材料的折射率、反射率都较大,因此在制作太阳电池时,往往都要使用减反射膜、几何陷光结构等减反射措施。应当注意,材料的折射率与入射光的波长密切相关,表 3-1 为硅和砷化镓的折射率与光波长的关系。表 3-1 硅和砷化镓的折射率[1]( 300K ) 波长(μ m) 折射率 n Si GaAs 减反射技术和减反射原理 陷光结构和绒面在光伏技术中,所谓陷光结构包括表面减反射结构、太阳电池体内光路增长结构,太阳电池组件封装结构内的光路增长结构。绒面的反射控制理论认为,表面结构对反射率的影响取决于结构尺寸与入射光波长之间的关系。 Campbell 发展的讨论中考虑了表面形貌三种不同的尺度范围: (i )宏观;( ii )微观;和( iii ) 中间情况。在宏观尺度范围,表面形貌尺寸比光波长大。光干涉效应可以忽略不计,而光路通常近似地用这些表面形貌与光之间的相互作用来描述。这些表面形貌的几何性质可以用来驾驭光的反射或折射方向,使其控制在期望的方向上。在微观尺度范围,形貌尺寸比光波长更小,即小于 μm 。这种形貌可以用‘逐级折射率’方法处理,这里真实表面的剖面用一系列层来近似描述, 每层由不同的两种介质组成。这种形貌尺寸在捕获光线方面不是特别有效,其作用就象在平面上涂覆逐层改变折射率的涂层一样。对于中间尺度情况( 微米~几微米) ,表面形貌对光有强烈的干扰作用。反射光和折射光都会被强有力的捕获。一种强有力捕获情形的简化模型是把表面成“ Lambertian ”处理,也即,认为在所有方向上捕获的光有均匀的亮度。在宏观尺度的范围,一种计算反射的二维( 2D )模型如图 3-3 所示。假设沟槽尺寸大于光波长,所以沟槽和光之间的作用可以用光路近似来描述。沟槽角度为α,沟槽壁将向下入射光的反射分量反射到对面得到第二次入射机会,这样减低了总的反射率。对于垂直于太阳电池片平面的入射光, α有几个使反射特性改变的门限值。一旦某些光线α超过 30 o ,靠近底部的入射光就能得到“二次入. 射”效应的好处。α超过 45 o 所有垂直入射光线将“二次入射”。当α上升到 54 o 以上时,靠近沟槽底部的入射光线被三次反射有了可能。对于 60 o ,所有垂直入射的光线将“三次入射”,等等。如果光线对于太阳电池