光學薄膜在太陽能電池上的應用概要

光學薄膜在太陽能電池上的應用概要第一頁，共28頁。太陽能電池的發(fā)展1973年世界爆發(fā)了第一次能源危機，使人們清醒地認識到地球上化石能源儲藏及供給的有限性，客觀上要求人們必須尋找其它可替代的能源技術，改變現(xiàn)有的以使用單一化石能源為基礎的能源供給結構。為此，以美國為首的西方發(fā)達國家紛紛投入大量人力、物力和財力支持太陽電池的研究和發(fā)展，同時在以亟待解決的與化石能源燃燒有關的大氣污染、溫室效應等環(huán)境問題的促使下，在全世界范圍內掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，也由此拉開了太陽電池發(fā)電的序幕。1839年法國實驗物理學家第一次報道了他在電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應。1877年，W.G.Adams和R.E.Day在固體硒中觀察到了光生伏特效應，并制作第一片硒太陽電池。1904年德國物理學家愛因斯坦仁AlbertEinstein)發(fā)表了關于光電效應的論文，成功地提出了光生伏特效應的理論2023/4/282第二頁，共28頁。太陽能電池的分類硅基太陽能電池(單晶/多晶/非晶)(24.7%)化合物太陽能電池(砷化鎵/硫化鎘/碲化鎘/銅銦硒等)有機薄膜太陽能電池(酞青類化合物/導電聚合物等)納米薄膜太陽能電池(納米TiO2)2023/4/283第三頁，共28頁。各種太陽能電池所占比例2023/4/284第四頁，共28頁。如何減少硅太陽能電池表面反射率裸硅表面的反射率在30%以上將電池表面腐蝕成絨面或者多孔狀(增加光與半導體表面作用的次數(shù),同時會使電池溫度升高)鍍上減反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等)2023/4/285第五頁，共28頁。光學薄膜（opticalcoating）光學薄膜是一種為改變光學零件表面光學特性而鍍在光學零件表面上的一層或多層膜?？梢允墙饘倌ぁ⒔橘|膜或這兩類膜的組合。

它可分為增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜、偏振與消偏振膜等。減反射膜是應用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學薄膜，因此，它至今仍是光學薄膜技術中重要的研究課題，研究的重點是尋找新材料，設計新膜系,改進淀積工藝,使之用最少的層數(shù)，最簡單、最穩(wěn)定的工藝，獲得盡可能高的成品率，達到最理想的效果。2023/4/286第六頁，共28頁。減反射薄膜的發(fā)展

人類為了更好的利用光，經(jīng)過了許多探索。薄膜的一些奇異性質最先引起人們的注意，但是即使是單層膜的應用也歷盡艱辛。早在1817年夫瑯和裴便已制成了世界上第一批單層減反射膜。1866年瑞利報告說，年久失澤的玻璃的反光比新鮮玻璃的反光弱;但瑞利的發(fā)現(xiàn)在當時由于沒有實際需要，并未引起人們的重視。直到最后，大氣腐蝕失澤的一批透鏡被光學零件制造師—泰勒偶然發(fā)現(xiàn)后，他才致力于用腐蝕法使玻璃表面人工失澤，以降低折射界面的討厭的反射。二十世紀三十年代中期才應該認為是薄膜在光學上加以應用的真正開端。2023/4/287第七頁，共28頁。單層減反射薄膜的原理結構最簡單的減反射膜是單層膜。圖1所示為單層減反射薄膜的矢量圖。2023/4/288第八頁，共28頁。膜有兩個界面就有兩個矢量，每個矢量表示一個界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則在每個界面上的反射系數(shù)都為負值，這表明相位變化為180°（若反射光存在于折射率比相鄰媒質更低的媒質內，則相移為180°;若該媒質的折射率高于相鄰媒質的折射率，則相移為零。）。當膜層的相位厚度為90°時，即膜層的光學厚度為某一波長的四分之一時，則兩個矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對該波長而言，兩個矢量將完全抵消，于是出現(xiàn)了零反射率。2023/4/289第九頁，共28頁。

以上僅僅是垂直入射的情況。在傾斜入射時，情況與上述類似，只是膜層的有效相位厚度減少了，因而最佳透射波長更短些。2023/4/2810第十頁，共28頁。太陽輻射的波長范圍:紫外光區(qū)(7%)紅外光區(qū)(43%)和可見光區(qū)(50%)硅在紅外波段透過率很高,但對紅外波段太陽輻射能的利用很少;紅外光的熱效應會降低電池的太陽能轉換效率和使用壽命紫外波段光對電池板膠合材料(EVA)有老化作用400~800nm范圍實現(xiàn)減反射,對紫外光(λ<400nm)有較強的吸收;對紅外光(λ>800nm)的透過率有較大抑制太陽的光譜與太陽能電池2023/4/2811第十一頁，共28頁。AR薄膜的制備方法氣相法:利用各種材料在氣相間、氣相和固體基礎表面間所產(chǎn)生的物理、化學過程而沉積薄膜的方法化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)CVD可以分為熱CVD、光CVD和等離子體CVD(根據(jù)促使化學反應的能量可以來自加熱、光照和等離子體)PVD利用加熱材料而產(chǎn)生的熱蒸發(fā)沉積、利用氣體放電產(chǎn)生的正離子轟擊陰極(靶材)所產(chǎn)生的濺射沉積、把蒸發(fā)和濺射結合起來的離子鍍以及分子束外延液相法:化學鍍、電鍍、浸漬鍍其它:噴涂、涂覆等2023/4/2812第十二頁，共28頁。幾種AR薄膜的制備化學氣相沉積(PECVD)制備氮化硅(SiCx:H)AR膜磁控濺射法(PVD)制備SiO2/TiO2減反射膜溶膠凝膠提拉法制備SiO2/TiO2減反射膜2023/4/2813第十三頁，共28頁。等離子體(PECVD)制備碳化硅(SiCx:H)AR膜[1]SiCx:H膜:具有較低的電導率和較寬的光學帶隙,并且折射率根據(jù)碳成分可調(2.0-3.75),薄膜中H含量高;其次具有優(yōu)良的機械性能、抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性;能減少反射,沉積時釋放的氫對硅材料的晶界和體缺陷起到鈍化作用降低了表面復合速率,增加了少子壽命,從而提高了太陽電池效率2023/4/2814第十四頁，共28頁。制備過程以純硅烷(SiH4)和純甲烷(CH4)為氣源,在硅襯底以及玻璃襯底上沉積a-SiCx:H薄膜反應的動力是來自被高頻電場加速的電子和離子,它們與反應氣體分子碰撞,電離或激活成活性基團,因而可以在遠低于熱反應的溫度下制備薄膜。2023/4/2815第十五頁，共28頁。制備過程通過改變襯底溫度、氣源流量比和射頻功率分別制備a-SICx:H薄膜樣品,并對其進行測試分析,討論制備條件對薄膜表面形貌、化學結構、光學性能等的影響，并對薄膜的成膜機理和結構模型進行探討利用正交實驗法研究PECVD設備制備的a-

SiCx:H薄膜的沉積參數(shù)對薄膜減反射性能的影響,確定影響其減反射性能的主要沉積參數(shù),尋找最佳的沉積條件2023/4/2816第十六頁，共28頁。最佳沉積條件①隨著襯底溫度的升高,薄膜致密度增加,膜內Si-C鍵含量增大,薄膜生長速率降低,折射率升高,光學帶隙變窄②隨著CH4流量的增大,薄膜粗糙度先減小后增大,并且當SiH4與CH4流量比為1:2時,薄膜最致密;隨CH4流量的增大,生長速率減?、垭S著射頻功率增大,薄膜致密度增加,粗糙度減小;折射率隨射頻功率的增大而增大;缺陷態(tài)減少導致光學帶隙變寬襯底溫度250度,流量比V(SiH4):V(CH4)=1:3,射頻功率35w2023/4/2817第十七頁，共28頁。在最優(yōu)參數(shù)下,波長小于400nm時,薄膜透過率很小,這也說明了薄膜對紫外光有較弱的透過性.薄膜的平均透過率在90%左右,說明在整個太陽電池光譜響應范圍內,薄膜對光的吸收很少,薄膜具有良好的透過性.總的來說,在優(yōu)化后的制備條件下沉積的a-SICx:H薄膜具有良好的光學性能,能起到較好的減反射效果2023/4/2818第十八頁，共28頁。TiO2的特性納米TiO2(粒徑在1-100nm)由于粒子直徑小,表面積大從而使其具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和介電限域效應TiO2薄膜具有殺菌消毒、光催化、光降解、防霧、防露、自清潔以及對紫外光的強烈吸收2023/4/2819第十九頁，共28頁。磁控濺射法(PVD)制備SiO2/TiO2減反射膜[2]射頻磁控濺射設備立式提拉鍍膜機2023/4/2820第二十頁，共28頁。

隨著氧流量的增加薄膜的反射低谷向中心波長550nm處移動

2023/4/2821第二十一頁，共28頁。隨著總氣壓的增加薄膜的反射低谷向短波方向移動2023/4/2822第二十二頁，共28頁。隨著溫度的增加薄膜的平均反射率降低并且反射低谷向長波方向移動

2023/4/2823第二十三頁，共28頁。隨著靶基距的增加薄膜的反射低谷先短波再長波之后再短波

2023/4/2824第二十四頁，共28頁。結論通過分析:制備TiO2薄膜應當選用常溫,靶基距為190nm,氧流量為15sccm,總氣壓為4×10-1Pa的條件,在此條件下獲得的薄膜與SiO2

薄膜匹配制成雙層減反射膜將會達到最佳減反射效果2023/4/2825第二十五頁，共28頁。SiO2/TiO2W形減反射膜[3](λ/４-λ/２)設定SiO2薄膜TiO2薄膜的厚度d1、d2初值分別為89.75nm、124.12nm(n1d1＝λ/4,n2d2＝λ/2,中心波長選用510nm,n1n2分別為SiO2/TiO2對510nm波長的折射率)使用macleod膜系設計軟件對膜系進行擬合優(yōu)化.最后得到優(yōu)化結果為93.55nm、125.45nm2023/4/2826第二十六頁，共28頁。

鍍膜后的玻璃在430nm和643nm處分別達到透射率極大值97.72%、9