太阳电池减反射膜系统的研究

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1、10学生毕业设计（论文）目录摘要………………………………………………………………………………31引言32理论计算……………………………………………………………………………42.1反摄定律42.2光学薄膜的理论分析53比较研究63.1评价函数的选取63.2阳电池减反射膜系的计算机设计74实验结果85讨论………………………………………………………………………………96致谢107参考文献11研究太阳电池减反射膜系统1010摘要：对于高校空间太阳电池来说减反射膜系的制备是非常重要的，对其进行优化设计可以大幅

2、度提高太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光合转换率。从波动光学的基本原理出发,用加权平均反射率作为评价膜系设计质量的参数,编制出了进行减反射膜系优化设计的计算机程序,理论上可以使太阳电池表面的加权平均反射率降到1%以下,提高了电池的短路电流关键词:太阳电池,减反射膜,加权平均反射率1引　言投射到太阳电池阵正面的太阳能辐射通量(阳光)中,部分被该表面反射掉了,部分透射到电池内部(通过太阳电池盖片进入太阳电池),被转换为电能。通常情况下,裸硅表面的反射率相当大,可将入射太阳光的30%以上反射掉,为了

3、最大限度地减小正面的反射损失,目前主要有两种方法,一是将电池表面腐蚀成绒面,增加光与半导体表面作用的次数,二是镀上一层或多层光学性质匹配良好的减反射膜。对空间太阳电池来说,由于其工作环境的特殊要求,为降低工作温度提高效率,应尽可能减少太阳电池对太阳光谱中红外成分的吸收,而绒面对各波段的减反射效果都很好,这样就升高了太阳电池的工作温度,不利于提高其效率。因此对空间太阳电池来说,主要是通过减反射膜系的制备来提高太阳电池的转换效率。一般来说,这类涂层极薄,其光学厚度为波长的四分之一或二分之一。单层减反射膜

4、由于仅对单一波长具有较好的减反射效果,在空间高效太阳电池中常用的是多层减反射膜系,它可对宽谱范围内的太阳辐照产生有效的减反射效果。国内已有一些专家对其进行了理论和实践上研[1,9]究。但是在已有的膜系设计研究中,需要先选λ定一个中心波长,然后针对此波长点进行减反射膜的优化设计,这个中心波长的选取对设计结果有很大的影响,目前都是根据经验来选取的。本文从相干光学的基本原理出发,选取了恰当的膜系评价函数,通过理论分析和计算机优化计算,设计出了实用的软件,可对太阳电池进行单层或多层减反射膜系进行优化设计,从

5、理论上得到减反射膜系各层膜的最佳参数。对硅太阳电池来说,理论上在最佳参数情况下,在0.35～1.2μm的波长范围内,该膜系的加权平均反射率可达0.48%。2　理论计算2.1反摄定律光波是一种电磁波,在分层介质中的传播是电磁波的传播,满足麦克斯韦电磁理论。太阳电池表面的减反射膜由于其光学厚度小于相干光程,在薄膜的上下1010界面将产生光的干涉现象,减反射作用就是利用光的干涉效应来实现的。在进行减反射膜的设计时,为简化计算,我们通常要作如下假定:1)薄膜在光学上是各向同性介质对于电介质,其特性可用折射率

6、n表征,且为实数;数。对于金属和半导体,其特性可用复折射率N=n-ik来表征,k为消光系2)两个邻接的介质用一个数学界面分开,在这个数学分界面两边折射率发生不连续的跃变。3)膜层的横向尺寸假定为无限大,而膜层的厚度是光的波长数量级。当光束从折射率为N1的介质入射到折射率为N2的介质时,由麦克斯韦电磁理论可得反射光与入射光振幅之比为:式中r———称振幅反射系数,η0和η1———为两个介质的光学导纳,其值不仅与入射角有关,而且与E和H相对于入射平面的方位有关。对于入射光中的两种偏振方向分别有:式中,——

7、—入射角,角标p和s分别表示光线的两种偏振方向。将(2)代入(1)中得:式中,θ0表示光线从折射率为N0的介质照射到折射率为N1的介质时的入射角,θ1表示光线在折射率为N1的介质中传播的角度单界面的能量反射率为:总的能量反射率为:2.2　光学薄膜的理论分析假定在折射率为n2的基板上有一层折射率为n1厚度为d1的薄膜,入射介质的折射率为n0,平面光波照射在薄膜表面,入射角为θ。光波在表面的上下两个界面上将发生反射和折射,如图1所示。一般情况下,薄膜的干涉是多光束干涉1010,各反射光在薄膜表面相互叠加

8、的结果为[10]:式中,是薄膜的位相厚度。图1薄膜内光线的传播（7）式可以写成：从上面的结果我们可以看出,具有两个界面的单层膜,可以用等价的一个界面来代替,如图2所示。图2　单层膜的等效界面图图中,这一等效界面的反射系数为：1010经过这样的处理后,我们就可以对多层膜的反射率进行计算了,有两种方法:方法一:从多层膜的顶层膜开始,将相邻的两个界面等效成一个界面,然后逐次通过中间层,一直计算到底层膜和基片的界面为止,求得在最后一个界面上的振幅反射系数,于是多层膜的反射。这