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第3章减反射原理和减反射技术

硅材料的光学特性

晶体硅材料的光学特性，是决定晶体硅太阳电池极限效率的关键因素，也是太阳电池制造工艺设计的依据。

光在硅片上的反射、折射和透射

照射到硅片表面的光遵守光的反射、折射定律。如图3.1所示，表面平整的硅片放置在空气中，

有一束强度为I

0

的光照射前表面时，将在入射点O发生反射和折射。以I?表示反射光强度，I 表示

0 1

折射光强度。这时入射角?等于反射角r，并且

sin? ?v

sin? v

n

cvcv?

c

v

c

v

（3-1）

图3-2光在半导体薄片上的反射、折射和透射 图3-3计算表面反射的二维模型

Fig3-2Lightreflection,infractionand Fig3-32Dmodelforsurfacereflectiontransitiononsemiconductorsheet. calculate.

式中??

为入射光进入硅中的折射角，v

、v

分别为空气及硅中的光速，n

、n

分别为空气及硅的折射

率，c为真空中的光速。任何媒质的折射率都等于真空中的光速与该媒质中的光速之比。

I 在硅片内的另一个表面以角度??发生入射及反射，反射光强度以I?表示，强度为I

1 1 2

的光在

o?点沿与法线NN?成?角度的方向透射出后表面。

定义反射光强度I?与入射光强度I

0 0

之比为反射率，以R表示；透射光强度I

2

与入射光强度I 之

0

比为透射率，以T表示。当介质材料对光没有吸收时，T?R?1。半导体材料对光有吸收作用，因此，还要考虑材料对光的吸收率。

光垂直入射到硅片表面时，反射率可以表示为：

I (n ?n)2

1R?0???0 1

1

I (n

0 0

?n)2 （3-2）

当入射角为?时，折射角为??，则反射率可以表示为：

I 1 sin2(???) tg(???)

R? 0? { ? }

I 2 sin2(???) tg(???0

（3-3）

一般说来，折射率大的材料，其反射率也较大。太阳电池用的半导体材料的折射率、反射率都较大，因此在制作太阳电池时，往往都要使用减反射膜、几何陷光结构等减反射措施。

应当注意，材料的折射率与入射光的波长密切相关，表 3-1为硅和砷化镓的折射率与光波长的关系。

表3-1硅和砷化镓的折射率[1（]

300K）

波长(μ

m)

折射率

n

Si

GaAs

1.1

3.5

3.46

1.0

3.5

3.5

0.90

3.6

3.6

0.80

3.65

3.62

0.70

3.75

3.65

0.60

3.9

3.85

0.50

4.25

4.4

0.45

4.75

4.8

0.40

6.0

4.15

减反射技术和减反射原理

陷光结构和绒面

在光伏技术中，所谓陷光结构包括表面减反射结构、太阳电池体内光路增长结构，太阳电池组件封装结构内的光路增长结构。

绒面的反射控制理论认为，表面结构对反射率的影响取决于结构尺寸与入射光波长之间的关系。Campbell发展的讨论中考虑了表面形貌三种不同的尺度范围：（i）宏观；（ii）微观；和（iii）中间情况。

在宏观尺度范围，表面形貌尺寸比光波长大。光干涉效应可以忽略不计，而光路通常近似地用这些表面形貌与光之间的相互作用来描述。这些表面形貌的几何性质可以用来驾驭光的反射或折射方向，使其控制在期望的方向上。

在微观尺度范围，形貌尺寸比光波长更小，即小于0.1μm。这种形貌可以用‘逐级折射率’方法处理，这里真实表面的剖面用一系列层来近似描述，每层由不同的两种介质组成。这种形貌尺寸在捕获光线方面不是特别有效，其作用就象在平面上涂覆逐层改变折射率的涂层一样。

对于中间尺度情况(0.1微米～几微米)，表面形貌对光有强烈的干扰作用。反射光和折射光都会被强有力的捕获。一种强有力捕获情形的简化模型是把表面成“Lambertian”处理，也即，认为在所有方向上捕获的光有均匀的亮度。

在宏观尺度的范围，一种计算反射的二维（2D）模型如图3-3所示。假设沟槽尺寸大于光波长，所以沟槽和光之间的作用可以用光路近似来描述。沟槽角度为α，沟槽壁将向下入射光的反射分量反射到对面得到第二次入射机会，这样减低了总的反射率。对于垂直于太阳电池片平面的入射光，α有几个使反射特性改变的门限值。一旦某些光线α超过30o，靠近底部的入射光就能得到“二次入

射”效应的好