3.减反射技术和减反射原理

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1、第3章减反射原理和减反射技术3.1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。3.1.1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3.1所示，表面平整的硅片放置在空气中，有一束强度为的光照射前表面时，将在入射点O发生反射和折射。以表示反射光强度，表示折射光强度。这时入射角等于反射角，并且（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Fig3-2Lightreflection,infractionandFig3-32Dmo

2、delforsurfacereflectiontransitiononsemiconductorsheet.calculate.式中为入射光进入硅中的折射角，、分别为空气及硅中的光速，、分别为空气及硅的折射率，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。在硅片内的另一个表面以角度发生入射及反射，反射光强度以表示，强度为的光在点沿与法线成角度的方向透射出后表面。定义反射光强度与入射光强度之比为反射率，以表示；透射光强度与入射光强度之比为透射率，以表示。当介质材料对光没有吸收时，。半导体材料对光有吸收作用，因此，还要考虑材料对光

3、的吸收率。光垂直入射到硅片表面时，反射率可以表示为：（3-2）11当入射角为时，折射角为，则反射率可以表示为：（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]H.J.Hovol，SolarCells，SemiconductorsandSemimetals,Vol.11,ACDAMECPRESS,1975.（300K

4、）波长(μm)折射率nSiGaAs1.13.53.461.03.53.50.903.63.60.803.653.620.703.753.650.603.93.850.504.254.40.454.754.80.406.04.153.2减反射技术和减反射原理3.2.1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

5、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0.1μm。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(0.1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

6、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30o，靠近底部的入射光就能得到“二次入射”效应的好处。α超过45o所有垂直入射光线将“二次入射”。当α上升到54o以

7、上时，靠近沟槽底部的入射光线被三次反射有了可能。对于60o，所有垂直入射的光线将“三次入射”11，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Rn。例如封装在折射率为1.5的材料中的硅，在太阳光谱波长的峰值，在自由空间600nm波长附近的反射率大约为20%，在“二次入射”后降到4%，“三次入射”后低于1%。从数学上讲，对于45o≤α≤60o的情形，垂直入射光线经历三次入射的比例可以表示为：（3-4）对于硅在（100）晶面上用碱溶液腐蚀制作的绒面

8、，角锥体表面为（111）面，与底面为54.7o，所有垂直入射光将得到至少二次入射机会，11.1