GaAs基底TiO2,SiO2减反射膜的反射率性能分析.doc

GaAs基底TiO2/SiO2减反射膜的反射率性能分析肖祥江, 涂洁磊（教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南省农村能源工程重点实验室， 云南师范大学太阳能研究所，昆明，云南，650092 中国）摘 要：本文设计并制备了适用于砷化镓（GaAs）多结太阳电池的TiO2/SiO2 双层减反射膜，通过实测反射谱来验证了理论设计的正确性。工作中，利用编程分析了TiO2、SiO2单层膜的厚度及其折射率对双层膜系反射率的影响。结果显示，在短波范围(300nm600nm)，TiO2膜厚对反射率的影响要大于SiO2，而SiO2折射率对反射率的影响比TiO2大；在中波范围(600nm900nm)，随着单层膜的厚度和折射率的增加，双层膜系反射率存在一个最小值，变化趋势是先降低，而随后增加。同时，计算结果得到SiO2和TiO2的最优物理膜厚分别为78.61nm和50.87nm，此时在短波段中心波长1=450nm处最小反射率为0.0034，在中波段中心波长2=750nm处最小反射率为0.495。采用电子束蒸发法在GaAs基底上淀积TiO2/SiO2双层膜，厚度分别为78nm和50nm。实测短波和中波相应的反射率极小值分别为0.37和2.95，与理论结果吻合较好。关键词：薄膜光学；GaAs多结太阳电池；TiO2/SiO2双层减反射膜；电子束蒸发；折射率Analysis of reflectance performance of TiO2/SiO2 antireflection coating on GaAs SubstrateXiao Xiang-jiang , Tu Jie-lei(Education Ministry Key Laboratory of Renewable Energy Advanced Materials and Manufacturing Technology,Yunnan provincial key Laboratory of Renewable Energy Engineering, Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University , Kunming Yunnan, 650092 , CHINA)Abstract: TiO2/SiO2 double-layer antireflection coatings of GaAs multi-junction solar cells was designed and fabricated in this paper. And the validity of theoretical design was further verified .At work, influence of TiO2 and SiO2 layer thickness and the refractive index on the reflectance of film system was analyzed. The results show film thickness of TiO2 is greater than SiO2 on the reflectance in the short wavelength(300nm600nm),but the refractive of SiO2 is greater than TiO2 on the reflectance.At center wavelength(600nm900nm), with increase of the single-layer film thickness and refractive index , reflectivity of bilayer system has a minimum, the trend is to reduce and to increase subsequently. Simultaneously, the optimal physical thickness of SiO2 and TiO2 is 78.61nm and 50.87nm respectively by programming calculation. And then the minimum reflectance of 0.0034 is obtained at center wavelength 1=450nm in the short wavelength and the minimum reflectance of 0.495 is obtained at center wavelength 2=750nm in the middle wavelength. TiO2/SiO2 double-layer coatings were deposited on GaAs substrate by electron beam evaporation and the physical thickness is 78.61nm and 50.87nm respectively.Practical minimum reflectance is 0.37 at 1=449nm and 2.65 at 2=748nm ,which is close to theoretical value.Key words:thin film optics; GaAs multi-junction solar cells;TiO2/SiO2 double-layer anti-reflection coating; electron beam evaporation; refractive index0 引 言太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽用之不竭的、无污染的、廉价的、人类能够自由利用的能源，其中，光伏发电是目前利用太阳能的热点研究领域。太阳电池是把光能直接转换为电能的光电子器件，其光电转换效率定义为总输出功率与入射到太阳电池表面的太阳光总功率的比值。为提高电池的光电转换效率，应减少电池表面的光反射损失，增加光入射。目前主要采用两种方法1：(1)将电池表面制成绒面，增加光在电池表面的入射次数；(2)在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射膜。在单晶硅和多晶硅太阳电池中，表面织构和制备减反射膜都是常用的减反射方法2-4。相对于硅太阳电池，砷化镓(GaAs)太阳电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐射能力、更好的耐高温性能，是国际公认的新一代高性能长寿命空间主电源和极具潜力的民间新能源。为了减少砷化镓(GaAs)太阳电池表面反射损失以提高其转换效率，在太阳电池表面制备减反射膜是经常采用的方法5。国内外有许多研究机构对太阳电池单层、双层甚至三层减反射膜进行了理论计算和实际的设计应用，明显的提高了太阳电池的转换效率6-11。 三结砷化镓叠层太阳电池是目前最常用的高效率电池，其结构通常是由顶电池（GaIn2P）、中电池（InGaAs）和底电池（Ge）电学串接而成，减反射膜的制备将直接影响到各子电池的光电流。一般地，典型的顶、中、底的子电流密度为：19mAcm-2、17mAcm-2、25mAcm-2。显然，对应于顶、中电池的吸收光谱范围的优化设计对提高整个电池的性能尤为重要。因此，本文主要将对短波段(300nm600nm)和中波段(600nm900nm)进行优化设计，分别采用1=450nm和2=750nm作为参考波长。并讨论分析薄膜厚度和折射率变化对短波段和中波段减反射效果的影响，最后实验结果证明该结构取得了良好的减反射效果，与理论设计吻合较好。1 理论优化设计设计目的是选择性能更佳的薄膜材料，使之在短波段和中波段处有最小的反射率和更优的波长选择性。图1为设计的双层减反射膜（DARC）结构示意图。图1 双层减反射膜（DARC）结构示意图Fig.1 Schematic of double-layer antireflection coatings（DARC）设光线垂直入射，对于消光系数很小的双层透明薄膜反射率可以表达成如形式12: ，其中；。采用电子束蒸发法生长TiO2/SiO2双层膜，设计时薄膜光学参量选择如下:n0=1(air)，n1=1.454(SiO2)，n2=2.25(TiO2)，n3=3.299(GaAs)，1=450nm，2=750nm。则上述反射率R的表达式是关于变量(SiO2的物理厚度d1、TiO2的物理厚度d2)的数值问题。通过穷极法编程易求出当R最小时d1、d2的解组合。考虑到薄膜自身对入射光的吸收作用，选取较小的厚度组合:d1=78.61nm，d2=50.87nm作为双层膜理论设计厚度，此时可得到理论最小反射率Rmin=0.0034。2 分 析在实际镀膜过程中，充氧量、基底温度和淀积速率等实验条件对薄膜的光学参量影响较大，可能导致实验结果背离理论设计值。为了实现理论模拟对实际研制工作的有效指导，对DARC中各薄膜的膜厚变化和折射率变化对DARC的反射率的影响程度展开深入讨论，具有较强的实际应用价值13。本文主要利用TFCalc薄膜设计软件, 进行了膜厚变化和折射率变化对DARC反射率影响的权重分析。TFCalc是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，它所具有的功能相当强大，是膜系设计软件中提供创新方法的领导者。2.1 单层薄膜膜厚对DARC反射率的影响图2(a)表示在短波段1=450nm处的双层膜系反射率随SiO2物理厚度d1或TiO2物理厚度d2的变化。两个横轴分别表示SiO2物理厚度d1和TiO2物理厚度d2，两线的交点处为理论设计厚度(d1=78.61nm，d2=50.87nm)。从图中可以看出，随着薄膜物理厚度的增加，DARC反射率发生显著变化，其变化趋势是先降低后增加。其中，TiO2膜厚对反射率的影响要大于SiO2。SiO2厚度加减4nm时，反射率分别增至0.176和0.157；而当TiO2厚度加减4nm时，反射率分别增至0.46和0.32。所以如需控制膜系短波段反射率小于0.35，实际镀膜精度应控制在4nm以内。图2(b)表示在2=750nm处的双层膜系反射率随SiO2物理厚度d1或TiO2物理厚度d2的变化，两个横轴分别表示SiO2物理厚度d1和TiO2物理厚度d2。从图中可以看出，在中波段内反射率的变化趋势与短波段类似，当TiO2厚度减5nm时，反射率减小到0.24，但当再减6nm反射率回升到0.37；当SiO2厚度减5nm时反射率减小到0.29，当再减6nm时，反射率就减小到0.19。所以若欲在中波段反射率小于0.35，实际镀膜时应把SiO2和TiO2的理论设计厚度都减5nm，然后控制镀膜精度在6nm以内，则可在中波范围内取得理想的减反射效果。 (a ) (b)图2 参考波长450nm和750nm处，DARC反射率随SiO2物理厚度d1或TiO2物理厚度d2的变化Fig.2 Influence of thickness of SiO2 d1 or TiO2 d2 on reflectance of DARC, at reference wavelength 450nm and 750nm2.2 单层薄膜折射率对DARC反射率的影响图3分别表示在短波段1=450nm处和在中波2=750nm处，双层膜系反射率随SiO2折射率n1或TiO2折射率n2的变化。两个横轴分别表示SiO2折射率n1或TiO2折射率n2，交点处对应于理论计算值(n1=1.454，n2=2.25)。由图可见，随着单层膜的折射率增加，双层膜系反射率存在一个最小值，变化趋势是先降低，而随后增加。同时，从图3(a)可以看出，在短波范围，SiO2折射率对反射率的影响比TiO2大。欲使短波段反射率小于0.35，实验中应尽量减少SiO2折射率相对于理论计算值的误差，将误差控制在0.08之内；在图3(b)中，在中波范围二者的影响程度接近。当SiO2折射率降低时，中波段的反射率逐渐降低。当TiO2的折射率增加到2.4时，在中波段的反射率减小到0.052。但考虑到实际电子蒸发制备减反射膜时，过高折射率的TiO2可能导致薄膜透射率下降。所以欲想在中波段有更低的反射率，应采用TiO2折射率的经验值(n2=2.25)作为理论计算值，对于SiO2的折射率可以适当降低。 (a ) (b)图3 参考波长450nm和750nm处,DARC反射率随SiO2折射率n1或TiO2折射率n2的变化Fig.3 Influence of refractive index of SiO2 n1 or TiO2 n2 on reflectance of DARC , at reference wavelength 450nm and 750nm2.3 其他参量对DARC反射率的影响理论计算的前提是SiO2和TiO2的消光系数非常小，以至于不足以影响理论计算精确度。本文通过模拟分析发现当SiO2和TiO2的消光系数不发生数量级变化时，膜系反射率在短波段和中波段的变化是可以忽略的。光入射角对反射率的影响较大，只有当入射角小于30，才能保证在短波段1=450nm处膜系反射率小于0.35；相反，当入射角增加到30o时，在中波段2=750nm处有最小反射率0.26，在该波段有较好的减反射效果。3 实验结果使用ZHD-500多功能真空蒸发镀膜机，用电子束蒸发的方法蒸镀TiO2/SiO2双层减反射膜，所制备的SiO2 和TiO2的物理厚度分别为78nm和50nm。图4 TiO2/SiO2 DARC反射谱的理论优化和实验测试谱线比较Fig.4 Comparison of theoretical and practical reflectance spectrum of TiO2/SiO2 DARC图4比较了TiO2/SiO2双层减反射膜在短波段和中波段的理论和实测反射谱。从图中可以看出，双层减反射膜在短波段中心波长1=450nm处的实测曲线与理论曲线吻合较好，而在中波段中心波长2=750nm处的实测曲线与理论曲线稍有些差距。在短波段极小值波长=449nm，对应反射率0.37与理论设计值1=450 nm，R=0.0034有小的偏差，其可能原因分析是：(1)实际镀膜时的厚度误差，但实验中采用石英晶体监控和光学监控，薄膜厚度较为精确，所以对结果的影响较小；(2)造成结果偏差的主要原因是SiO2的折射率偏于理论值。从前面的图3(a)理论分析SiO2折射率误差对反射率的影响比TiO2大，当SiO2折射率偏大或偏小时，对反射率都有较大的影响；在中波段极小值=748nm，对应的反射率2.95与理论值2=750nm，R=0.495有较大的偏差，由前面的图3(b)理论分析可知，其原因可能是SiO2折射率偏大或者是TiO2的折射率偏小。若要减小中波段的偏差，适当减小SiO2 和TiO2的物理厚度和降低SiO2的折射率是可以实现的。4 结 论利用编程计算分析了TiO2 /SiO2双层膜系中，TiO2 和SiO2单层膜的厚度及其折射率对双层膜的反射谱的影响。结果显示：(1)在短波范围内，膜厚误差对膜系反射率影响较大。但如能保持双层膜厚度总和理论设计值一致，可有利于降低减反射率。SiO2折射率误差对反射率的影响大于TiO2，需控制在0.08之内。(2)在中波范围内，当SiO2 和TiO2的物理厚度分别减小到73.61nm和45.87nm时，控制镀膜精度在6nm以内，适当降低SiO2的折射率可以实现中波段有较好的减反射效果。同时，模拟结果得到，理论上SiO2 和TiO2的物理厚度分别为78.61nm和50.87nm时，在参考波长1=450 nm处可得到最小反射率0.0034。 采用电子束蒸发法制备了TiO2/SiO2双层减反射膜，实测反射率在短波段=449nm处出现极小值0.37与理论设计吻合较好，在中波段=748nm处出现极小值2.95与理论设计值虽有一点偏差，但只要适当的减小膜系厚度和降低SiO2的折射率，中波段会有更好的减反射效果。参 考 文 献1 杨文华，李红波，吴鼎祥. 太阳电池减反射膜的设计与分析J. 上海大学学报，2004，10(01)：39. 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