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1、2023/5/22,1,光学薄膜在太阳能电池中的应用,太阳能电池的发展,1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。1839年法国实验物理学家第一次报道了他在电解槽中发现了光生伏特效应。1877年，W.G.Adams和R.E.D
2、ay在固体硒中观察到了光生伏特效应，并制作第一片硒太阳电池。1904年德国物理学家爱因斯坦仁Albert Einstein)发表了关于光电效应的论文，成功地提出了光生伏特效应的理论,2023/5/22,2,2023/5/22,3,太阳能电池的分类,硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%)化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)有机薄膜太阳能电池(酞青类化合物/导电聚合物等)纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2),2023/5/22,4,各种太阳能电池所占比例,2023/5/22,5,如何减少硅太阳能电池表面反射率,裸硅表面的反射率在30%以上 将电池表面腐蚀成绒面或者多孔状(增
3、加光与半导体表面作用的次数,同时会使电池温度升高)镀上减反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等),光学薄膜（optical coating）,光学薄膜是一种为改变光学零件表面光学特性而镀在光学零件表面上的一层或多层膜。可以是金属膜、介质膜或这两类膜的组合。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。,2023/5/22,6,减反射薄膜的发展,人
4、类为了更好的利用光，经过了许多探索。薄膜的一些奇异性质最先引起人们的注意，但是即使是单层膜的应用也历尽艰辛。早在1817年夫琅和裴便已制成了世界上第一批单层减反射膜。1866年瑞利报告说，年久失泽的玻璃的反光比新鲜玻璃的反光弱;但瑞利的发现在当时由于没有实际需要，并未引起人们的重视。直到最后，大气腐蚀失泽的一批透镜被光学零件制造师泰勒偶然发现后，他才致力于用腐蚀法使玻璃表面人工失泽，以降低折射界面的讨厌的反射。二十世纪三十年代中期才应该认为是薄膜在光学上加以应用的真正开端。,2023/5/22,7,2023/5/22,8,单层减反射薄膜的原理,结构最简单的减反射膜是单层膜。图1所示为单层减反射
5、薄膜的矢量图。,膜有两个界面就有两个矢量，每个矢量表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于基片的折射率，则在每个界面上的反射系数都为负值，这表明相位变化为180（若反射光存在于折射率比相邻媒质更低的媒质内，则相移为180;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率，则相移为零。）。当膜层的相位厚度为90时，即膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个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，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，于是出现了零反射率。,2023/5/22,9,以上仅仅是垂直入射的情况。在倾斜入射时，情况与上述类似，只是膜层的有效相位厚度减少了，因而最佳透射波长更
6、短些。,2023/5/22,10,2023/5/22,11,太阳辐射的波长范围:紫外光区(7%)红外光区(43%)和可见光区(50%)硅在红外波段透过率很高,但对红外波段太阳辐射能的利用很少;红外光的热效应会降低电池的太阳能转换效率和使用寿命紫外波段光对电池板胶合材料(EVA)有老化作用400800nm范围实现减反射,对紫外光(800nm)的透过率有较大抑制,太阳的光谱与太阳能电池,2023/5/22,12,AR薄膜的制备方法,气相法:利用各种材料在气相间、气相和固体基础表面间所产生的物理、化学过程而沉积薄膜的方法化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)CVD可以分为热CVD、光CVD
7、和等离子体CVD(根据促使化学反应的能量可以来自加热、光照和等离子体)PVD利用加热材料而产生的热蒸发沉积、利用气体放电产生的正离子轰击阴极(靶材)所产生的溅射沉积、把蒸发和溅射结合起来的离子镀以及分子束外延液相法:化学镀、电镀、浸渍镀其它:喷涂、涂覆等,2023/5/22,13,几种AR薄膜的制备,化学气相沉积(PECVD)制备氮化硅(SiCx:H)AR膜磁控溅射法(PVD)制备SiO2/TiO2减反射膜溶胶凝胶提拉法制备SiO2/TiO2减反射膜,2023/5/22,14,等离子体(PECVD)制备碳化硅(SiCx:H)AR膜1,SiCx:H膜:具有较低的电导率和较宽的光学带隙,并且折射率
8、根据碳成分可调(2.0-3.75),薄膜中H含量高;其次具有优良的机械性能、抗腐蚀性和热稳定性;能减少反射,沉积时释放的氢对硅材料的晶界和体缺陷起到钝化作用降低了表面复合速率,增加了少子寿命,从而提高了太阳电池效率,2023/5/22,15,制备过程,以纯硅烷(SiH4)和纯甲烷(CH4)为气源,在硅衬底以及玻璃衬底上沉积a-SiCx:H薄膜反应的动力是来自被高频电场加速的电子和离子,它们与反应气体分子碰撞,电离或激活成活性基团,因而可以在远低于热反应的温度下制备薄膜。,2023/5/22,16,制备过程,通过改变衬底温度、气源流量比和射频功率分别制备a-SICx:H薄膜样品,并对其进行测试分
9、析,讨论制备条件对薄膜表面形貌、化学结构、光学性能等的影响，并对薄膜的成膜机理和结构模型进行探讨利用正交实验法研究PECVD设备制备的a-SiCx:H薄膜的沉积参数对薄膜减反射性能的影响,确定影响其减反射性能的主要沉积参数,寻找最佳的沉积条件,2023/5/22,17,最佳沉积条件,随着衬底温度的升高,薄膜致密度增加,膜内Si-C键含量增大,薄膜生长速率降低,折射率升高,光学带隙变窄随着CH4流量的增大,薄膜粗糙度先减小后增大,并且当SiH4与CH4流量比为1:2时,薄膜最致密;随CH4流量的增大,生长速率减小随着射频功率增大,薄膜致密度增加,粗糙度减小;折射率随射频功率的增大而增大;缺陷态减
10、少导致光学带隙变宽衬底温度250度,流量比V(SiH4):V(CH4)=1:3,射频功率35w,2023/5/22,18,在最优参数下,波长小于400nm时,薄膜透过率很小,这也说明了薄膜对紫外光有较弱的透过性.薄膜的平均透过率在90%左右,说明在整个太阳电池光谱响应范围内,薄膜对光的吸收很少,薄膜具有良好的透过性.总的来说,在优化后的制备条件下沉积的a-SICx:H薄膜具有良好的光学性能,能起到较好的减反射效果,2023/5/22,19,TiO2的特性,纳米TiO2(粒径在1-100nm)由于粒子直径小,表面积大从而使其具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应T
11、iO2薄膜具有杀菌消毒、光催化、光降解、防雾、防露、自清洁以及对紫外光的强烈吸收,2023/5/22,20,磁控溅射法(PVD)制备SiO2/TiO2减反射膜2,2023/5/22,21,随着氧流量的增加薄膜的反射低谷向中心波长550nm处移动,2023/5/22,22,随着总气压的增加薄膜的反射低谷向短波方向移动,2023/5/22,23,随着温度的增加薄膜的平均反射率降低并且反射低谷向长波方向移动,2023/5/22,24,随着靶基距的增加薄膜的反射低谷先短波再长波之后再短波,2023/5/22,25,结论,通过分析:制备TiO2薄膜应当选用常温,靶基距为190nm,氧流量为15sccm,
12、总气压为410-1Pa的条件,在此条件下获得的薄膜与SiO2 薄膜匹配制成双层减反射膜将会达到最佳减反射效果,2023/5/22,26,SiO2/TiO2 W形减反射膜3(/-/),设定SiO2薄膜TiO2薄膜的厚度 d1、d2初值分别为89.75nm、124.12nm(n1d1/4,n2d2/2,中心波长选用 510nm,n1n2分别为SiO2/TiO2对510nm波长的折射率)使用macleod膜系设计软件对膜系进行拟合优化.最后得到优化结果为93.55nm、125.45nm,2023/5/22,27,镀膜后的玻璃在430nm和643nm处分别达到透射率极大值97.72%、98.35%在可
13、见光区域(400800nm)平均透过率达到96.40%与不镀膜的玻璃相比,提高了6.12%具有很好的增透效果;在紫外光波段,由于双层膜反射率的迅速提高以及TiO2薄膜对紫外光的强吸收,极大的降低了该波段光透过率;在红外光波段,双层膜反射率的大幅增加也抑制了该区太阳光的透过率,图2 理论与实际对比,2023/5/22,28,参考文献,1张瑞丽.太阳能电池用a-SICx:H薄膜的制备与性能研究D,浙江:浙江理工大学,20102王贺权.太阳电池减反射膜的研究D,辽宁:东北大学,20053王晓栋,沈军,谢志勇,等.太阳能玻璃表面高强度双层减反膜制备研究J.光子学报,2009,38(10):2501-25054刘永生,谷民安,杨晶晶,等.太阳电池用低折射率纳米晶减反射膜研究J.华东电力,2010,38(11):1794-1796,
