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针对新型高效叠层砷化镓太阳电池[反向外延生长3 结晶格失配太阳电池(IMM-3J)、反向外延生长4 结晶格失配太阳电池(IMM-4J)],提出与其相匹配的四层宽带减反射膜的设计方案。利用电子束热蒸发的减反射膜沉积方式,在太阳电池表面制备宽带减反射膜。测量蒸镀减反射膜前后电池反射率的变化,结合外量子效率计算出宽带减反射膜对电池各结短路电流的增益效果。与原有双层减反射膜进行对比,四层宽带减反射膜具有更宽的减反射区域,适用于IMM-3J、IMM-4J电池。利用Essential Macleod 软件模拟分析了宽带减反射膜制备过程中的工艺稳定性,对于膜层的设计作出了进一步的优化。
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第 36 卷 第 4 期
2016 年 4 月
Vol. 36, No. 4
April, 2016
光 学 学 报
ACTA OPTICA SINICA
0431002-
新型砷化镓太阳电池的宽带减反射膜设计
孙希鹏 肖志斌 杜永超
天津恒电空间电源有限公司, 天津 300384
摘要 针对新 型 高 效叠层砷化镓太阳 电 池 [反 向 外延生长 3 结晶格失配太 阳 电 池(IMM-3J)、反向外 延 生 长 4 结 晶 格
失配太阳电池(IMM-4J)],提出与其相匹配的四层宽带减反射膜的设计方案。利用电子束热蒸发的减反射膜沉积方
式,在太阳 电 池表面制 备 宽带减反 射 膜。测量 蒸 镀减反射 膜 前后电池 反 射率的变 化 ,结合 外量子效率 计算出宽带
减反射膜对电池各结短路电流的增益效果。与原有双层减反射膜进行对比,四层宽带减反射膜具有更宽的减反射
区域,适用于 IMM-3J、IMM-4J 电池 。利用 Essential Macleod 软 件模拟 分析了 宽带减反射膜制备过程中的工艺稳定
性,对于膜层的设计作出了进一步的优化。
关键词 薄膜; 减反射膜; 宽带; 太阳电池; 反射率; 外量子效率
中图分类号 O484.4 文献标识码 A
doi: 10.3788/AOS201636.0431002
Design of Broadband Antireflection Coating for New Gallium Arsenide
Solar Cell
Sun Xipeng Xiao Zhibin Du Yongchao
Tianjin Hengdian Space Power Co., Ltd., Tianjin 300384, China
Abstract A design of four- layer broadband antireflection coating (ARC) for high efficiency GaAs solar cell
[inverted metamorphic 3 junction (IMM- 3J),4 junction (IMM- 4J) lattice-mismatch solar cell] is proposed. The
broadband antireflection coating is prepared on the solar cell by electron- beam thermal evaporation method.
According to the differences of reflectance and external quantum efficiency (EQE) before and after evaporation,
the short circuit current gain of each junction is calculated. Compared with the double-layer antireflection coating,
the four-layer antireflection coating with a wide anti-reflective area is more appropriate for IMM-3J and IMM-4J
solar cell. Process stability of the antireflection coating preparation is analyzed by Essential Macleod software. The
related design optimization is also given out.
Key words thin films; antireflection coating; broadband; solar cell; reflectance; external quantum efficiency
OCIS codes 310.1210; 310.4165; 310.6860; 350.6050
1 引 言
太阳电 池是将 光能转化为电能的重要元 件,为了提 高转换 效率,其研 究重心正在逐步由 硅单结 太阳电
池 向 砷 化 镓 多 结 太 阳 电 池 转 变 。 目 前 工 艺 较 为 成 熟 的 量 产 多 结 电 池 ,采 用 正 向 生 长 、晶 格 匹 配 的 结 构
(InGaP/GaAs/Ge),平均转换效率最高可达 29.8%(Azurspace)。尚处于研制过程中、转换效率较高的,是反向生
长 3 结(IMM-3J)、4 结(IMM-4J)晶 格失 配 太阳电 池 。IMM-3J 电池 的结构 为 InGaP/GaAs/InGaAs,最 高 转换效
率可达 33%;IMM-4J 电池的结构为 InGaP/GaAs/In
x
GaAs/In
y
GaAs,最高转换效率可超过 34%
[1]
。
为了减 少阳光照射在电池表面产生的反射损耗,可以通 过表面 改性
[2]
和制备 减反射膜(ARC)
[3]
来降低 表
面反射率。表面改性是通过刻蚀、沉积等 手段,利用物理或化学方法在电池表面制 备电介 质材料 的纳米 结
构
[4-7]
,或者将预制备的新型光学材料,剥离转移到电池表面
[8]
。制备减反射膜是在电池表面沉积一层或多层
收稿日期: 2015-10-09; 收到修改稿日期: 2015-12-06
作者简介: 孙希鹏(1989—),男,硕士,助理工程师,主要从事太阳电池器件工艺及光学薄膜设计方面的研究。
E-mail: tankerxp@163.com
1
光 学 学 报
0431002-
的光学薄膜,通过合理选择膜的折射率与厚度来实现降低反射率的效果。由于表面改性的实现工艺较为复
杂,成本昂贵,不适用于批量大尺寸电池的生产,因此量产多结砷化镓电池依旧采用制备减反射膜的方式来
降低电池反射率。
InGaP/GaAs/Ge 结构 的三结 电池 ,InGaP 结工作 波长 为 300~650 nm,GaAs 结 工作 波长 为 500~900 nm,这
两结的 电流 密度较 为接 近;而 Ge 结工作波长为 900~1700 nm,其电流密度 比前两结大 出许多。考 虑到电池
的短路电流 由串 联 PN 结中 电流最小的 结来 决定 ,因 此此类电池 采用 双层减反射膜体 系(TiO
x
-Al
2
O
3
)
[9]
,将低
反射区域定位于 300~900 nm 之间。
新型高效砷化镓电池中,IMM-3J 电池的主要响应波段为 400~1200 nm,IMM-4J 电池为 400~1700 nm。理
论上两种电池各结短路电流数值较为一致,为了使电池短路电流足够大,要求配套的减反射膜在电池的响应
波段内能实现均匀的减反射。蒸镀原有双层减反射膜后,电池在 1000 nm 后的反射率明显升高,致使 IMM-3J
电池的第 3 结和 IMM-4J 电池的第 4 结对应的波段出现减反射不均匀、蒸镀减反射膜后电流密度不一致的问题。
本文针对 IMM-3J、IMM-4J 电池提出了配套的宽带减反射膜的设计,并验证了其实际应用效果。
2 原理设计
文中所 有关于 减反射膜的设计及结果,均是 在入射 光从空 气中垂直入射的情况下得 到的,所有 结果同
时适用于入射光中的 p 偏振分量和 s 偏振分量,在确定多层膜的特性时,仅考虑入射光在每个界面上的单次
反射,并忽略了薄膜自身的吸收作用。另外,所出现的折射率值,不做特殊说明时,均指材料在 600 nm 附近
的折射率数值。
入射光在多 层光 学薄膜的界 面上 发生反射后 ,反 射率
R = r
2
,
r
是反射光的 合成 振幅反射系 数,由每 一
层界面的反射系数的矢量和确定
[10]
:
r = r
1
+ r
2
exp(-2iδ
1
) + r
3
exp
[ ]
-2i
( )
δ
1
+ δ
2
+ r
4
exp
[ ]
-2i
( )
δ
1
+ δ
2
+ δ
3
+ ... + r
j + 1
exp
[ ]
-2i
( )
δ
1
+ δ
2
+ ...δ
j
. (1)
每 个 界 面 的 振 幅 反 射 系 数 可 表 示 为 r
j
=
n
j - 1
- n
j
n
j - 1
+ n
j
(
n
0
= 1
),光 在 每 层 薄 膜 中 传 播 产 生 的 位 相 变 化 为
δ
j
=
2π
λ
n
j
d
j
,
d
j
为每层 膜的 物理厚度。 量产三结晶 格匹配电池 采用 的是 W 型减反射 膜结 构设计 ,要 求每 一
层 的 振 幅 反 射 系 数 相 等 ,因 此 折 射 率 有 :
n
1
n
0
=
n
2
n
1
=
n
s
n
2
(
n
s
为 衬 底 折 射 率)。 同 时 每 层 膜 中 的 位 相 变 化
δ
1
= δ
2
=
π
2
,n
1
d
1
= n
2
d
2
=
λ
0
4
(
λ
0
为参考 波长),此时
r
在
λ
1
=
3
2
λ
0
和
λ
2
=
3
4
λ
0
的两波 长处为 0(矢量图如图 1 所
示),得到反射率的极小值。由于太阳电池衬底材料折射率在 3.6 左右,因此选择折射率为 2.29 的 TiO
x
和 1.59
的 Al
2
O
3
作为 双层 减反 射膜 材料 。当 选取 参考 波长为 530 nm 时,TiO
x
和 Al
2
O
3
的厚 度分 别为 57 nm 和 83 nm;
两处反射率极小值出现在 400 nm 和 800 nm 左右,即三结电池的前两个 PN 结的位置。
图 1 双层膜振幅反射系数矢量图。 (a) λ
1
=
3
2
λ
0
; (b) λ
2
=
3
4
λ
0
Fig.1 Bilayer amplitude reflection coefficient vector. (a) λ
1
=
3
2
λ
0
; (b) λ
2
=
3
4
λ
0
但若要 获得更 宽的低反射区域,实现起来将 非常困 难。因 为低反射区域的展宽,将 要伴随着膜层数量
的增加,以四层为例,对折射率的匹配要求就变为:
n
1
n
0
=
n
2
n
1
=
n
3
n
2
=
n
4
n
3
=
n
s
n
4
。常见的光学薄膜材料的折射率很
2
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