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减反射技术和减反射原理
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。,表面平整的硅片放置在空气中,
'表示反射光强度,I1表示有一束强度为I0的光照射前表面时,将在入射点O发生反射和折射。以I0
折射光强度。这时入射角φ等于反射角r,并且
'sinφvn'='=='nsinφv (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φ'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。
'表示,强度为I2的光在I1在硅片内的另一个表面以角度φ''发生入射及反射,反射光强度以I1''
o'点沿与法线NN'成φ角度的方向透射出后表面。
'与入射光强度I0之比为反射率,以R表示;透射光强度I2与入射光强度I0之定义反射光强度I0
比为透射率,以T表示。当介质材料对光没有吸收时,T+R=1。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:
1
'I0(n0?n1)2
R??
I0(n0?n1)2 (3-2) 当入射角为?时,折射角为??,则反射率可以表示为:
'I01sin2(???')tg(???')R??{2?''
I02sin(???)tg(??? (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。

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,。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(~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,
o
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,靠近底部的入射光就能得到“二次入
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射”效应的好处。α超过45所有垂直入射光线将“二次入射”。当α上升到54以上时,靠近沟槽底
o部的入射光线被三次反射有了可能。对于60,所有垂直入射的光线将“三次入射”,等等。如果光
线对于太阳电池平面而言,偏离垂直角度,这些门限将变得有些模糊。如果具有反射率R的表面上反
n射与角度的依赖性可以忽略,那么,n次入射后的反射率将为R。
的硅,在太阳光谱波长的峰值,在自由空间600nm波长附近的反射