陳建良, 陳義軒, 林家豪, 吳東穎, 徐富興, *葉倍宏 崑山科技大學 光電系 太陽能電池之抗反射膜優化設計 陳建良, 陳義軒, 林家豪, 吳東穎, 徐富興, *葉倍宏 崑山科技大學 光電系
摘要 本論文以自行研發的光學薄膜模擬軟體來模擬太陽能電池的抗反射膜優化設計。 此研究中使用SiO和TiO2兩種低、高折射率材料，掃描波長從0.38到1.2μm，以極小化搜尋演算法，尋找全區域最低的平均反射率。
模擬結果顯示，ㄧ層的抗反射膜設計為Air|0.2828L|矽基板，全區域平均反射率值8.01% 二層的抗反射膜設計為Air|0.2475L 0.2273H|矽基板，全區域平均反射率值4.595% 三層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。
1. 簡介 太陽電池表面的反射率大小是決 定轉換效率的重要關鍵。 所以必須要用抗反射膜來增加入射光在太陽電池表面的穿透率。
近年來太陽電池抗反射膜優化設計已逐漸被發展。 在中原大學的研究中。 使用Film Star光學薄膜模擬軟體。 模擬Si3N4單層抗反射膜，針對設計波長 580nm，掃描300~900nm波長範圍 。 模擬結果反射率都在20%以下。
模擬雙層抗反射膜(TiO2/SiO2) 。 針對設計波長420nm，掃描300~900nm波長。 模擬結果反射率都在10%以下。
(minimizing search algorithm) 2. 模擬步驟 以極小化搜尋演算法 (minimizing search algorithm)
尋找全區域平均反射率值最低的方式，即得最佳的抗反射膜設計。 F(θi，n，d，λ)=ΣR 尋找全區域平均反射率值最低的方式，即得最佳的抗反射膜設計。 Θi：入射角，n：折射率，d：幾何膜厚， λ ：波長 ， R：反射率
在測試單層及多層抗反射膜之前，假設所有抗反射膜滿足下列各狀況： 1. 入射角θi=0 。 2. 光譜範圍0.38～1.2μm，並區分成100個搜尋波段 。
3. 各膜層不考慮色散與吸收，折射率固定，其中空氣n0=1，矽基板ns=3. 4，低折射率材料SiO(1. 8)，高折射率材料TiO2(2 4.設計波長λ0 =0.6μm。 5.光學厚度nd為唯一的設計變數，其搜尋範圍從0λ0到0.5λ0 。
3.結果與討論 模擬單層抗反射膜優化設計 以SiO(1.8)當作材料，模擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2828λ0。 Air|0.2828L|矽基板，全區域平均反射率值8.01% 圖二所顯示的角度有0度、30度、60度，對應的平均反射率依序為8%、9.742%、21.442%。
圖一 單層抗反射膜優化設計
圖二 單層抗反射膜優化設計的角移效應
雙層抗反射膜優化設計。 以SiO(1.8)/ TiO2(2.35)為材料。 由模擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2475λ0/0.2273λ0。 Air|0.2475L 0.2273H|矽基板，全區域平均反射率值4.595%
圖四所顯示的角度有0度、30度、60度，對應的平均反射率依序為4.595%、6.438%、19.142%。 三層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。
圖三 雙層抗反射膜優化設計
圖四 雙層抗反射膜優化設計的角移效應
4.結論 太陽光譜中涵蓋範圍很廣，輻射能量主要集中在可見光區，其次是近紅外光區與10μm附近的遠紅外光區，以及最少部分的紫外光區。
雖然現在只針對可見光波段與近紅外光區0.38～1.2μm波段做設計，但日後模擬會延伸至紫外光，甚至包含10μm附近遠紅外光區，所謂雙波段區域抗反射膜設計，因此，選用材料以能涵蓋太陽光譜者為優先考慮。
單層及雙層抗反射膜優化設計的角移效應顯示，入射角度越高，則平均反射率越高。但日後我們會設計到不管入射角多大，平均反射率還是會降的很低。
5.REFERENCES [1] 鄭竣謙，《雙層抗反射膜覆蓋三接面三一五 族太陽電池之研究》,中原大學，碩士論文 [2] 林松荺，《抗反射膜於矽基薄膜太陽能電池 之光學性質研究》，崑山科技大學 [3] 葉致仰，《寬波段廣角度抗反射膜設計之 研究》，國立台灣大學電機資訊學院光電系 工程研究所，碩士論文
[4] Sung-Mok Jungb, Young-Hwan Kim, Seong-Il Kim,Sang-Im Yoo, 《Design and fabrication of multi-layer antireflection coating for III-V solar cell》 , Current Applied Physics, vol. 1, pp. 538-541, 2011. [5] 李正中，《薄膜光學與鍍膜技術》，(藝軒圖書) [6] 葉倍宏，《薄膜光學-電腦輔助模擬與設計》
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