CN102983226A - 一种多结太阳电池宽光谱减反射膜及其制备方法 - Google Patents

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张玮
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Abstract

本发明的多结太阳电池宽光谱减反射膜及其制备方法，步骤包括选择一种高折射率材料、一种低折射率材料作为镀膜材料，改进电子束蒸发设备，用椭偏仪测试材料光学参数（n，k），输入优化程序；确定膜系层数，优化程序中输入多结电池的结构参数，运行优化程序计算出最优膜厚；接近电池表面的材料为高折射率材料，然后在高折射率材料上镀低折射率材料形成HL，递增HL形成宽光谱减反射膜结构，然后将折射率小于1.2的材料加在所述反射膜结构上。本发明的优点是选用材料均为常见材料即可，通过优化厚度，能有效降低300～1800nm的较宽范围内电池的反射率。该方法工艺简便，又能得到适合多结电池宽光谱范围的减反射膜，实用性强。

Description

一种多结太阳电池宽光谱减反射膜及其制备方法
 
技术领域
本发明涉及的是一种多结太阳电池技术领域的方法，具体涉及一种多结太阳电池宽光谱减反射膜及其制备方法。
背景技术
GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在空间应用中（AM0）的效率已经接近极限，为了进一步提高太阳电池的效率，对AM0光谱进行更好的划分，新的空间太阳电池更倾向于四结至六结电池的研究。多结太阳电池利用的光谱范围扩展，需要减反射膜的作用范围拓宽到300-1800nm，以保证光的有效吸收。目前的三结电池可以用简单的双层减反射膜控制反射，而对于更宽光谱的减反射要求，必须使用更复杂的多层薄膜结构，形成折射率梯度变化的减反射膜体系。
目前国内还未有四结以上的成熟电池出现，因此对适合多结太阳电池的宽光谱减反射膜的研究近乎空白。而国外多结太阳电池的发展更早，美国的Emcore公司及Spectrolab公司等相继报道了四结、五结甚至六结的太阳电池，效率较传统的三结太阳电池有了很大突破。因此，国外对减反射膜也相应地进行了更为深入的研究。Lucas Alves等人的专利《Antireflection Coating for Multi-junction Solar Cells》（US 2011/0232745 A1）中就已报道在三结太阳电池上得到300-1850nm范围内平均反射率小于5%的减反射膜。但该专利所述的三结太阳电池结构简单，且涉及的是磁控溅射设备，与本发明所使用的电子束蒸发设备有所不同。
国内目前在四结、五结电池上还未有成果，不能确保解决多结太阳电池解决宽光谱减反射膜的难题。因此，业界对多结太阳电池宽光谱减反射膜有所希冀，特别是需要一种多结太阳电池宽光谱减反射膜的制备方法。在各方的努力研究下，不久的将来国内必然会出现四结、五结太阳电池，而本专利恰好能为多结太阳电池解决宽光谱减反射膜的难题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种多结太阳电池宽光谱减反射膜的制备方法，利用制备得到的折射率低于1.2的材料及HL膜系结构，设计出适合多结太阳电池的减反射膜。 
本发明是通过以下技术方案实现的，一种多结太阳电池宽光谱减反射膜制备方法，包括如下步骤：
步骤1、选择一种高折射率材料、一种低折射率材料作为镀膜材料，用椭偏仪测试两种材料的光学参数（n，k），输入优化程序；
步骤2、在电子束蒸发设备中装入电机使基片旋转，同时令基片法向与电子束成一定角度，在基片上蒸镀的材料为低折射率材料，用椭偏仪测试其光学参数（n，k），输入优化程序；
步骤3、确定膜系层数，优化程序中输入多结电池的结构参数，包括所述多结电池每一层厚度及其光学参数，运行优化程序计算出最优膜厚；接近电池表面的材料为高折射率材料，然后在高折射率材料上镀低折射率材料形成HL；
步骤4、重复所述步骤3中形成HL的过程，依次递增HL个数，形成宽光谱减反射膜结构，然后将用斜角入射方法制备的折射率小于1.2的材料加在所述反射膜结构上。
进一步，所述低折射率材料为SiO2、Al2O3或MgF，所述高折射率材料为TiO2、Ta2O5、ZnS、TiO2、HfO2或NbO5。
进一步，所述基片法向与电子束成的角度大于80°。
进一步，所述优化程序的目标函数为：
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE002
                                          （1）
其中
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE004
为AM0光谱光强；在未测得电池相应
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE006
时，也可将式上式简化为
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE008
                                                                               （2）。
利用
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE010
计算反射谱的平均反射率，可得其在300～1800nm范围内平均反射率为4.52%。
本发明的另一方面在于利用上述减反射膜制备方法制成的减反射膜，所述减反射膜为高折射率材料、低折射率材料组成多层交替结构上镀有一层折射率小于1.2的材料。
本发明具有显著优点和进步，本发明虽然需要在多结太阳电池上蒸镀多层光学薄膜，但仅需要2种常见材料即可，将普通的电子束蒸发设备稍作改动，可以在表面制备出折射率低于1.2的材料，通过适当优化厚度，就能有效降低300-1800nm的较宽范围内电池的反射率。该膜系蒸镀工艺简便，又能得到适合多结电池宽光谱范围的减反射膜，实用性强。结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面和优点。
附图说明
结合附图，通过下文的描述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1是多结太阳电池宽光谱减反射膜的制备方法流程图；
图2是三结电池结构示意图；
图3是三结太阳电池优化反射谱图。
具体实施方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。
本实施例具体包括如下步骤，如图1所示：
步骤1、选择2种适当的镀膜材料，需要一个高折射率材料，比如TiO2，以及一个低折射率材料，比如SiO2。用椭偏仪测试两种材料的光学参数（n，k），输入优化程序。
步骤2、在电子束蒸发设备中装入电机，可以使基片旋转，同时令基片法向与电子束成一定角度（大于80°）。在基片上蒸镀的材料可以选择SiO2，用椭偏仪测试其光学参数（n，k），输入优化程序。本实施例中用该方法蒸镀的低折射率材料光学系数如表1所示。
表1 低折射率SiO2的光学系数椭偏测试值
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2012105392058100002DEST_PATH_IMAGE014
Figure 541585DEST_PATH_IMAGE012
Figure 467953DEST_PATH_IMAGE014
300.44 1.193356 800.49 1.192965 1301.9 1.193101
349.99 1.192903 851.3 1.192988 1350 1.193108
401.18 1.192765 900.41 1.193007 1401.5 1.193114
450.78 1.192745 950.97 1.193025 1449.6 1.193119
500.39 1.192767 999.82 1.19304 1501.2 1.193125
551.59 1.192804 1050.5 1.193053 1549.4 1.193129
601.16 1.192841 1102.3 1.193066 1597.6 1.193133
650.69 1.192877 1150.6 1.193076 1649.3 1.193137
700.16 1.19291 1202.2 1.193086 1687.4 1.19314
751.16 1.19294 1250.4 1.193094    
步骤3、确定膜系层数及厚度。在优化程序中输入多结电池的结构参数，包括每一层厚度及其光学参数（多结电池结构见图1）。步骤2中的材料始终为最外层，接近电池表面的材料为高折射率材料TiO2，然后在高折射率材料上镀低折射率材料SiO2，这样一组设为一个HL。初始可以在电池表面设置2个HL进行优化，再依次递增HL个数，比较其优化结果。本实施例中使用2个HL进行优化，最外层再加一层步骤2中的材料。优化的目标函数为
Figure 27613DEST_PATH_IMAGE002
                                          （1）
其中
Figure 757672DEST_PATH_IMAGE004
为AM0光谱光强。在未测得电池相应
Figure 426551DEST_PATH_IMAGE006
时，也可将式上式简化为
                                 （2）
此实施例中利用式(2)对三结太阳电池进行优化，根据优化结果，在三结电池上蒸镀相应减反射膜层，测得其反射谱如图2中所示。
利用
Figure 580768DEST_PATH_IMAGE010
计算反射谱的平均反射率。
因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (5)

1.一种多结太阳电池宽光谱减反射膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选择一种高折射率材料、一种低折射率材料作为镀膜材料，用椭偏仪测试两种材料的光学参数（n，k），输入优化程序；
步骤2、在电子束蒸发设备中装入电机使基片旋转，同时令基片法向与电子束成一定角度，在基片上蒸镀的材料为低折射率材料，用椭偏仪测试其光学参数（n，k），输入优化程序；
步骤3、确定膜系层数，优化程序中输入多结电池的结构参数，包括所述多结电池每一层厚度及其光学参数，运行优化程序计算出最优膜厚；接近电池表面的材料为高折射率材料，然后在高折射率材料上镀低折射率材料形成HL；
步骤4、重复所述步骤3中形成HL的过程，依次递增HL个数，形成宽光谱减反射膜结构，然后将用斜角入射方法制备的折射率小于1.2的材料加在所述反射膜结构上。
2.根据权利要求1所述的减反射膜制备方法，其特征在于，所述低折射率材料为SiO2、Al2O3或MgF，所述高折射率材料为TiO2、Ta2O5、ZnS、TiO2、HfO2或NbO5。
3.根据权利要求1所述的减反射膜制备方法，其特征在于，所述基片法向与电子束成的角度大于80°。
4.根据权利要求1所述的减反射膜制备方法，其特征在于，所述优化程序的目标函数为：
Figure 2012105392058100001DEST_PATH_IMAGE001
                          （1）
其中为AM0光谱光强；在未测得电池相应
Figure 2012105392058100001DEST_PATH_IMAGE003
时，也可将式上式简化为
                                         （2）
利用
Figure 2012105392058100001DEST_PATH_IMAGE005
计算反射谱的平均反射率。
5.根据权利要求1所述的减反射膜制备方法制成的减反射膜，其特征在于，所述减反射膜为高折射率材料、低折射率材料组成多层交替结构上镀有一层折射率小于1.2的材料。
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