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 光電工程系

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1 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 光電工程系
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 光電工程系 3.結果與討論 模擬單層抗反射膜優化設計，以SiO當作材料，其折射率是1.8，矽Si基板折射率為3.4；由模擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2828，其反射率光譜圖與角移效應分別如圖一、圖二所示。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%。雙層抗反射膜優化設計，以SiO/TiO2為材料，折射率分別為1.8與2.35，同樣矽Si為基板；由模擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2475/0.2273，其反射率光譜圖與角移效應分別如圖三、圖四所示。圖四所顯示的角度與圖二相同，對應的平均反射率依序為4.595%、6.438%、19.142%。 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 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-380nm~1200nm波段做設計，但日後模擬會延伸至紫外光，甚至包含10μm附近遠紅外光區的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高，平均反射率還是會降的很低。 參考文獻(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 民國九十五年六月 [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，民國九十七年七月 [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學研究所，碩士論文，民國九十七年七月 [4] Sung-Mok Jungb, Young-Hwan Kim, Seong-IlKim,Sang-Im Yoo,《Design and fabrication of multi-layer antireflection coating for III-V solar cell》 , Current Applied Physics, vol. 1, pp , 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-電腦輔助模擬與分析》（台灣復文圖書） 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，波長範圍0.38到1.2μm，以極小化搜尋演算法，將膜厚從0到0.5設計波長均分為100等份，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|0.2475L0.2273H|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。 關鍵詞(Keywords)：太陽能電池，抗反射膜，優化設計 1.簡介 太陽能電池元件表面的反射率大小是決定轉換效率的重要關鍵，因此，必須利用抗反射膜來增加入射光在太陽能電池表面的穿透率，進而使轉換效率提升。如果沒有安排抗反射膜設計，以矽基板為例，入射光會有約30%的反射損失。近年來太陽能電池抗反射膜優化設計已逐漸被發展，例如國內的研究成果，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300nm~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(Ti2O2/Al2O3)，針對設計波長420nm，掃描300nm~900nm波長範圍，模擬結果反射率都在10%以下；模擬雙層抗反射膜(Ti2O2/SiO2)，針對設計波長420nm，掃描300nm~900nm波長，模擬結果反射率都在10%以下[1]。在崑山科大的研究中，採用真空濺鍍機來鍍製複合層之二氧化矽與氮化矽奈米薄膜，藉由調控氮氣及氧氣的比例，在基材上形成多層結構之二氧化矽與氮化矽之抗反射層薄膜，使用的靶材為P型矽靶，純度為99.999%。在雙層膜設計搭配上，促使吸收光譜介於380nm~1200nm間，可見光波段(380nm~780nm)平均穿透率達93%[2]。在台灣大學的研究中，藉由改變2層材料折射率，第1層折射率2.03，厚度45.5nm，第2層折射率1.46，厚度51.5nm，求出最佳的平均反射率為4.46[3]。在國外的研究方面，例如使用ZnS/MgF2，模擬單層、雙層、叁層抗反射膜與角移效應，針對掃描300nm~1500nm波長範圍，模擬結果顯示單層抗反射膜設計效果最差，雙層抗反射膜在450nm~1500nm波段範圍反射率10%以下，角移效應則不論雙層或叁層抗反射膜設計，在入射角65度以下仍有不錯的抗反射效果[4]。 2.模擬步驟 抗反射膜主要目的在降低反射率，然而在傳統的分析方法只能求得局部極值，對實際的應用幫助不大，為了彌補這種缺點，建立光學薄膜系統自動設計程式是必需的。針對抗反射膜在幾乎某一光譜範圍內要求低反射率，可以將優化函數簡單定義為 F(θi，n，d，λ)=ΣR。上式中θi為入射角，n為折射率，d為幾何膜厚，λ為波長，R為反射率，只要優化函數在波段範圍內的平均反射率最小，即得最佳的抗反射膜設計，根據這樣的概念，修改光學薄膜特徵矩陣程式就不難建立薄膜自動設計程式[5][6]。以自動設計程式分別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0.38μm～1.2μm，並區分成100個搜尋累計波段 (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，高折射率材料TiO2 (4)設計參考波長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