光學(xué)薄膜在太陽能電池上的應(yīng)用

光學(xué)薄膜在太陽能電池上的應(yīng)用第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日太陽能電池的發(fā)展1973年世界爆發(fā)了第一次能源危機(jī)，使人們清醒地認(rèn)識(shí)到地球上化石能源儲(chǔ)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(shù)，改變現(xiàn)有的以使用單一化石能源為基礎(chǔ)的能源供給結(jié)構(gòu)。為此，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量人力、物力和財(cái)力支持太陽電池的研究和發(fā)展，同時(shí)在以亟待解決的與化石能源燃燒有關(guān)的大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的促使下，在全世界范圍內(nèi)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(shí)驗(yàn)物理學(xué)家第一次報(bào)道了他在電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1877年，W.G.Adams和R.E.Day在固體硒中觀察到了光生伏特效應(yīng)，并制作第一片硒太陽電池。1904年德國物理學(xué)家愛因斯坦仁AlbertEinstein)發(fā)表了關(guān)于光電效應(yīng)的論文，成功地提出了光生伏特效應(yīng)的理論2023/6/162第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/163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(jī)薄膜太陽能電池(酞青類化合物/導(dǎo)電聚合物等)納米薄膜太陽能電池(納米TiO2)第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/164各種太陽能電池所占比例第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/165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(dǎo)體表面作用的次數(shù),同時(shí)會(huì)使電池溫度升高)鍍上減反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等)第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日光學(xué)薄膜（opticalcoating）光學(xué)薄膜是一種為改變光學(xué)零件表面光學(xué)特性而鍍在光學(xué)零件表面上的一層或多層膜?？梢允墙饘倌?、介質(zhì)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(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學(xué)薄膜，因此，它至今仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)是尋找新材料，設(shè)計(jì)新膜系,改進(jìn)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(dá)到最理想的效果。2023/6/166第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日減反射薄膜的發(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(zhì)最先引起人們的注意，但是即使是單層膜的應(yīng)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(bào)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(dāng)時(shí)由于沒有實(shí)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(xué)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(jì)三十年代中期才應(yīng)該認(rèn)為是薄膜在光學(xué)上加以應(yīng)用的真正開端。2023/6/167第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/168單層減反射薄膜的原理結(jié)構(gòu)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。第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日膜有兩個(gè)界面就有兩個(gè)矢量，每個(gè)矢量表示一個(gè)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(gè)界面上的反射系數(shù)都為負(fù)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(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180°;若該媒質(zhì)的折射率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。）。當(dāng)膜層的相位厚度為90°時(shí)，即膜層的光學(xué)厚度為某一波長的四分之一時(shí)，則兩個(gè)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(duì)該波長而言，兩個(gè)矢量將完全抵消，于是出現(xiàn)了零反射率。2023/6/169第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日

以上僅僅是垂直入射的情況。在傾斜入射時(shí)，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。2023/6/1610第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1611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(duì)紅外波段太陽輻射能的利用很少;紅外光的熱效應(yīng)會(huì)降低電池的太陽能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命紫外波段光對(duì)電池板膠合材料(EVA)有老化作用400~800nm范圍實(shí)現(xiàn)減反射,對(duì)紫外光(λ<400nm)有較強(qiáng)的吸收;對(duì)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第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1612AR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(chǔ)表面間所產(chǎn)生的物理、化學(xué)過程而沉積薄膜的方法化學(xué)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(xué)反應(yīng)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(jié)合起來的離子鍍以及分子束外延液相法:化學(xué)鍍、電鍍、浸漬鍍其它:噴涂、涂覆等第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1613幾種AR薄膜的制備化學(xué)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減反射膜第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1614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(dǎo)率和較寬的光學(xué)帶隙,并且折射率根據(jù)碳成分可調(diào)(2.0-3.75),薄膜中H含量高;其次具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性;能減少反射,沉積時(shí)釋放的氫對(duì)硅材料的晶界和體缺陷起到鈍化作用降低了表面復(fù)合速率,增加了少子壽命,從而提高了太陽電池效率第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1615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(yīng)的動(dòng)力是來自被高頻電場加速的電子和離子,它們與反應(yīng)氣體分子碰撞,電離或激活成活性基團(tuán),因而可以在遠(yuǎn)低于熱反應(yīng)的溫度下制備薄膜。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1616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(duì)其進(jìn)行測試分析,討論制備條件對(duì)薄膜表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能等的影響，并對(duì)薄膜的成膜機(jī)理和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行探討利用正交實(shí)驗(yàn)法研究PECVD設(shè)備制備的a-

SiCx:H薄膜的沉積參數(shù)對(duì)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第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1617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(nèi)Si-C鍵含量增大,薄膜生長速率降低,折射率升高,光學(xué)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(dāng)SiH4與CH4流量比為1:2時(shí),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(dǎo)致光學(xué)帶隙變寬襯底溫度250度,流量比V(SiH4):V(CH4)=1:3,射頻功率35w第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1618在最優(yōu)參數(shù)下,波長小于400nm時(shí),薄膜透過率很小,這也說明了薄膜對(duì)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(gè)太陽電池光譜響應(yīng)范圍內(nèi),薄膜對(duì)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(xué)性能,能起到較好的減反射效果第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1619TiO2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(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)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(duì)紫外光的強(qiáng)烈吸收第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1620磁控濺射法(PVD)制備SiO2/TiO2減反射膜[2]射頻磁控濺射設(shè)備立式提拉鍍膜機(jī)第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1621

隨著氧流量的增加薄膜的反射低谷向中心波長550nm處移動(dòng)

第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1622隨著總氣壓的增加薄膜的反射低谷向短波方向移動(dòng)第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1623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(dòng)

第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1624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

第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1625結(jié)論通過分析:制備TiO2薄膜應(yīng)當(dāng)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(huì)達(dá)到最佳減反射效果第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1626SiO2/TiO2W形減反射膜[3](λ/４-λ/２)設(shè)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(duì)510nm波長的折射率)使用macleod膜系設(shè)計(jì)軟件對(duì)膜系進(jìn)行擬合優(yōu)化.最后得到優(yōu)化結(jié)果為93.55nm、125.45nm第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1627

鍍膜后的玻璃在430nm和643nm處分別達(dá)到透射率極大值97.72%、98.35%在可見光區(qū)域(400~800nm)平均透過率達(dá)到96.40%與不鍍膜的玻璃相比,提高了6.12%具有很好的增透效果;在紫外光波段,由于雙層膜反射率的迅速提高以及TiO2薄膜對(duì)紫外光的強(qiáng)吸收,極大的降低了該波段光透過率;在紅外光波段,雙層膜反射率的大幅增加也抑制了該區(qū)太陽光的透過率圖2理論與實(shí)際對(duì)比第二十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/1628參考文獻(xiàn)[1]張瑞麗.太陽能電池用a-SIC