專利名稱：低折射率納米材料減反射膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽電池領域中的反射膜，特別涉及一種納米減反射膜。
背景技術：
太陽能是人類取之不盡、用之不竭的能源。雖然太陽能光伏產業以每年
約33%的速度在增長，但是太陽的能量卻因太陽能電池的成本居高不下，難以
得到充分應用。目前，通過光伏太陽能電池將陽光轉換為電力的挑戰在于 大幅度降低輸送每瓦太陽能電力的成本，而如果要與化石燃料、核能發電競 爭，還要再降低5—10倍；與初級化石能源競爭則要降低25—50倍。太陽電池 是把光能轉換為電能的光電子器件，它的效率的提高是長期以來人們一直致 力解決的問題，而影響電池效率的一個重要因素就是電池對入射到其表面光 的利用率，即電池對入射到其表面各波長光的光譜響應。我們知道，硅是間 接躍遷型材料，其吸收系數低，同時光在硅表面的反射使太陽電池的光損失 約1/3。根據菲捏耳的反射原理，在電池表面制備單層或多層減反射膜(其折 射率較小)可以減小入射光的反射，增加透射，增加光子的有效吸收，入射 光子數越多，光譜響應越大，電池的光電轉換效率也就越高。因此，對空間 硅太陽電池減反射膜以及光譜響應進行研究是太陽電池設計、制備中的關鍵。 目前，國內、外對單晶硅太陽電池減反射膜的設計、制備等已經做了大 量的詳細研究工作，單、雙甚至三層減反射膜均已被廣泛應用到單晶硅太陽 電池的制備中，特別是雙層減反射膜在應用中已經取得了很好的減反射效果。 但由于常規減反射膜材料折射率的限制，使得現在常用的太陽電池用減反射 膜的減反射效果被削弱。這是因為， 一般常規的減反射膜材料的折射率都大于1.4。納米材料是利用物質在小到納米尺度以后，由于尺寸效應、表面效應 和宏觀量子效應所出現的奇異現象而發展出來的新材料。近年來，納米添加、 復合與組裝技術，對材料科學研究，包括材料改性、新材料合成和新材料的 應用，產生了重要影響。有關研究已經表明，納米技術，如量子點技術、納 米表面改性技術等，可以提升太陽能發電技術的競爭力。對減反射膜而言， 提高材料的反射效率的關鍵在于首先獲得具有小的折射率材料。而對于一般 的體材料來說，其折射率都比較大，而折射率介于1 1.4的材料幾乎沒有， 這就必須采用納米材料和納米技術，改善材料的微觀結構，從而減小折射率。 隨著納米技術的發展，使得制備折射率在1.4以下的納米材料成為可能[M. Schubert, J. Xi， J. Kim， and E. Schubert 2007 Appl. Phys. Lett. 90 141115; J. Kim， S. Chhajed， M.. Schubert, et al. 2008 Adv. Mater. 20 801。 國內外雖有很多關于太陽電池減反射膜的研究，但缺乏對低折射率材料(小 于1.4)在空間硅太陽電池減反射膜系設計的研究。
發明內容
本發明是針對現有空間硅太陽電池中缺乏減反射膜設計的問題，提出了 一種納米減反射膜，低折射率納米材料的減反射膜系的結構，該結構通過使 用低折射率納米材料，使得反射率得以減小，減反射效果明顯，從而較好地 解決了空間硅太陽電池在使用過程的減反射問題。
本發明的技術方案為 一種低折射率納米材料減反射膜，包括減反射膜， 所述減反射膜中至少有一層采用折射率在1.1 1.4之間，加權平均反射率在 1.17% 5%之間的納米材料，即該納米材料折射率可根據其它膜層厚度、折 射率等因素在1.1 1.4之間進行調整，同時納米材料膜的厚度也做相應變化，所得加權平均反射率在1.17% 5%之間變化。
所述減反射膜為雙層時，膜參數為n產1.3， d產110nm， n2=2. 3， d2=64 nm， 得出加權平均反射率為Rw =1. 36%，比常規雙層減反射膜最小加權平均反射率 降低了 15%，其中m為第一層低折射率納米材料的折射率，山為其厚度，n2 為第二層材料折射率，d2為第二層材料厚度。
所述減反射膜為三層時，膜參數為n產l.l， d產96nm, n2=l. 46， d2=85 nm， n3=2.3， d3=61 nm，得出加權平均反射率為Rw =1. 17%，比常規三層減反射膜 最小加權平均反射率降低了 24. 5%，其中rn為第一層低折射率納米材料的折射 率，山為其厚度，ri2為第二層材料折射率，d2為第二層材料厚度，ri3為第三層 材料折射率，d3為第三層材料厚度。
本發明的有益效果在于本發明納米減反射膜在減反射膜系結構中采用 了低折射率納米材料，通過計算機仿真模擬對空間硅太陽電池減反射膜進行 了設計，分別設計了采用低折射率納米材料的雙、三層膜，優化出了最佳的 膜系參數，得到了最小的加權平均反射率，為空間硅太陽電池減反射膜的制 備提供了理論上的依據。
圖1常規折射率材料雙層膜反射率R隨波長;i變化曲線圖2本發明三種不同折射率的納米材料優化設計的雙層減反射膜的反射率隨
波長的變化曲線圖3常規折射率材料MgF2 (102nm) /Ti02 ( 49nm) /Si02三層膜時反射率隨Si02 層厚度的變化曲線圖4本發明納米減反射膜三層納米減反射膜反射率隨波長變化曲線圖；圖5本發明納米減反射膜改變了第二層材料的三層減反射膜的反射率變化曲 線圖。
具體實施例方式
單層減反射膜是利用光在減反射膜的兩側處反射光存在位相差的干涉原 理而達到減反射效果，可利用菲涅耳公式求得反射率。對于多層膜系，可以 在其中任取一層，把上面各層膜等效為一個界面，把下面各層膜也等效為一 個界面，則整個系統等效為一個單層膜，也可求出多層膜系的等效菲涅耳系 數，從而求出反射率。在討論中如果引入光學導納(Y)的概念來分析多層光 學薄膜的反射性質是方便的。這時對折射率為n。的入射介質和把m層連同基 底一起等效為一個新基體的界面套用菲涅耳公式，則可得到多層介質膜的反 射系數r， r=(n。-Y)/(n+Y)，而反射率為
式中Y二C/B。可由下述等效光學導納的特征表達式得到 C
式中2&等于相鄰兩相干光束的位相差，&=2^《/;i。以上給出的公式為垂
直入射光的情況。
膜系的反射率R取決于上面的膜層結構參數。 一般情況下，對于垂直入射
和入射光的光譜分布是已知的，因此可通過調整膜系的層數m和各層膜的光 學厚度nidi (i二l， 2，…，m)來得到最小的反射率。
太陽光分布在一個較大的波長范圍內，因此，對太陽電池要求在一個較 寬的光譜范圍內有良好的減反射效果，使更多入射光能進入電池。考慮到硅
z力jt sin&材料的內部量子效率，光伏應用的硅太陽電池需要在所有的可見光譜
(300mn 1100nm)范圍內有一個最小的反射率。為使硅能吸收更多的光子， 并將這些光能轉換為電能，在減反射膜設計中，考慮硅材料的內部量子效率 的同時還要兼顧太陽光的光譜特性，對于空間用太陽電池考慮的是AMO太陽 光譜。于是，由單個波長點反射率、入射光子通量、硅材料的內部量子效率， 可計算出在整個光譜范圍內的加權平均反射率
R— _^_ w---
式中F")為入射光子通量，QU)為硅的內部量子效率，R")為減反射膜在 對應波長點的反射率，；U、厶為光譜波長上下限，^二300nm、義2=1100咖。
本發明設計了多種組合的減反射膜系結構，給出了最優化的結果，其優
點是①本發明將低折射率納米材料引入減反射膜系設計中，達到了良好效 果；②本發明的設計結果具有工藝方便實現、應用前景廣泛等優點，為空間 硅太陽電池減反射膜的制備提供了制備參數，可應用于太陽能產業領域和通 信、建筑環保節能、IT產業、汽車工業、軍事、航空航天技術等領域。 1、常規材料雙層減反射膜
如圖1所示常規折射率材料雙層膜反射率R隨波長義變化曲線，我們分別 利用計算機程序模擬了常規折射率材料MgF2/Ti02， Si02/Ti02雙層膜在最佳膜 層厚度時的反射率隨波長的變化曲線，如圖1所示。對于MgF2/Ti02雙層膜， 膜厚d (MgF2) =100 nm， d (Ti02) =62 nm時，有最小的加權平均反射率， RWmi =1.23%， Si(VTi02雙層膜，膜厚d (Si02) =94跳d (Ti02) =61 nm 時，RWn=1.6%，可見，組合好的納米尺度的常規材料雙層膜已取得了較好的減反射效果。
2、 新納米材料雙層減反射膜
為了更進一步的降低入射光的反射率，我們采用低折射率的新納米材料 作為減反射膜材料進行了優化設計。對于雙層膜，分別采用了三種不同折射 率的納米材料優化設計了三種不同的減反射膜系，減反射效果也不同。如圖2 給出了優化的三種雙層減反射膜的反射率隨波長的變化曲線。m為第一層低折 射率納米材料的折射率，山為其厚度，ri2為第二層材料折射率，采用的材料是 Ti02， d2為第二層材料厚度。Rw是計算得到的加權平均反射率。曲線B的優化 膜系參數為n產l.l， dfl33nm， n2=2.3， d2=66 nm，計算得出加權平均反射率 為Rw =4. 74%。曲線C的優化膜系參數為n產l. 2， d產121 nm， n2=2. 3， d2=65 nm， 計算得出加權平均反射率為Rw =2.43%。曲線D的優化膜系參數為ni=1.3， d產110 nm， n2=2.3, d2=64 nm,計算得出加權平均反射率為Rw =1.36%。
由圖可以看出，三個曲線在600 nm波長附近均有最小的反射率，而曲線 D在各個波長點的反射率均比曲線B， C低，因此曲線D具有最佳的減反射效 果。與采用常規材料的雙層膜的設計結果相比較，曲線D的加權平均反射率 更低，利用D的優化膜系參數的納米減反射膜比常規的減反射膜具有更好的 減反射效果。計算可知，與常規雙層減反射膜相比，優化的納米減反射膜最 小加權平均反射率降低了 15%。
3、 常規材料三層減反射膜
圖3給出了常規折射率材料MgF2 (102nm) /Ti02 (49nm) /Si02三層減反 射膜的Si02層厚度變化時的反射率變化曲線，在三維坐標中Si02厚度是變化 的參數，當Si02層厚度為10nm時，此三層膜有最小的加權平均反射率，R配n=1.55 %。隨著Si02層厚度的增加反射率最小點逐漸向長波方向移動，短波 方向及可見光區的反射率越來越大，這使得減反射效果越來越差。計算得出， 當Si02層厚度分別變為15nm, 20 nm， 25 nm， 30 nm時，R，的值分別為2. 31 %， 3.81 %， 5.91 %， 8.46 %，可見隨Si02層厚度的增加，加權平均反射率 也在逐漸增加，減反射效果不理想。 4、新型納米材料三層減反射膜
對于三層膜，也分別采用了三種不同低折射率的納米材料優化設計了三 種不同的減反射膜系。圖4為優化的三種雙層減反射膜的反射率隨波長的變 化曲線。三種膜系參數分別為，曲線E的優化膜系參數為n產l. 1， d產96 nm, n2=1.46， d2=85nm， n3=2. 3， d3=61 nm，計算得出加權平均反射率為Rw =1. 17%。 曲線F的優化膜系參數為n產l. 2，山=59 nm, n2=l. 46， d2=76醒，n3=2. 3， d3=60 nm,計算得出加權平均反射率為Rw=l. 25%。曲線G的優化膜系參數為ni=l. 3， d產66 nm， n2=1.46， d2=50 nm， n3 = 2.3， d3=60 nm，計算得出加權平均反射 率為Rw =1.21%。
由圖可以看出，三個曲線在450 nm和800 nm波長附近分別有較小的反 射率，三種膜系均有很好的減反射效果。與采用常規材料的三層膜的設計結 果相比較，采用納米材料的三層膜加權平均反射率更低，采用納米材料的三 層膜的減反射效果明顯優于常規材料減反射膜，加權平均反射率降低了 24.5%。此外，對于常規材料，三層膜的加權平均反射率比雙層膜高，而采用 低折射率的納米材料后，三層膜加權平均反射率比雙層膜低，減反射效果明 顯得到改善。
圖5為改變了第二層材料的三層減反射膜的反射率變化曲線。第一層為低折射率的納米材料，折射率為1.1，第三層仍然為Ti02，我們把第二層材料 變為折射率較低的MgF2。優化得到，此膜系的第一、二、三層厚度分別為56 nm， 91 nm， 62nm時，具有最小加權平均反射率，Rw =1. 18%,可見，此三層膜系 也具有很好的減反射效果。
權利要求
1、一種低折射率納米材料減反射膜，包括減反射膜，其特征在于，所述減反射膜中至少有一層采用折射率在1.1～1.4之間，加權平均反射率在1.17％～5％之間的納米材料。
2、 根據權利要求1所述低折射率納米材料減反射膜，其特征在于，所述減反 射膜為雙層時，膜參數為nfl.3， d產110 nm， n2=2. 3， d2=64 nm，得出加權 平均反射率為Rw=1.36%，比常規雙層減反射膜最小加權平均反射率降低了 15%，其中m為第一層低折射率納米材料的折射率，山為其厚度，ri2為第二層 材料折射率，d2為第二層材料厚度。
3、 根據權利要求1所述低折射率納米材料減反射膜，其特征在于，所述減反 射膜為三層時，膜參數為n產l.l， d產96nm， n2=l. 46， d2=85 nm， n3=2. 3， d3=61 nm，得出加權平均反射率為1^=1.17%，比常規三層減反射膜最小加權平均反 射率降低了 24. 5%，其中m為第一層低折射率納米材料的折射率，ch為其厚度， n2為第二層材料折射率，d2為第二層材料厚度，ri3為第三層材料折射率，d3為 第三層材料厚度。
全文摘要
本發明涉及一種低折射率納米材料減反射膜，將低折射率納米材料引入減反射膜系設計中，達到了良好效果；低折射率納米材料減反射膜的設計結果具有工藝方便、實現應用前景廣泛等優點，為空間硅太陽電池減反射膜的制備提供了制備參數，可望應用于太陽能產業領域和通信、建筑環保節能、IT產業、汽車工業、軍事、航空航天技術等領域。
文檔編號H01L31/052GK101431110SQ20081020077
公開日2009年5月13日 申請日期2008年10月6日 優先權日2008年10月6日
發明者劉永生, 楊文華 申請人:上海電力學院