高效晶硅太阳电池光学设计技巧

光学设计即设计减反膜或陷光结构，或两者兼而有之。减反膜使电池顶表面的反射降至最低。这层膜对小于0.5μm的光吸收相当强。陷光结构使光线在太阳电池中产生散射和反射光程长是太阳电池厚度的4n²_s倍，即相当于太阳电池厚度50倍，而没有陷光结构，光程长就是太阳电池的厚度。太阳电池光学设计有以下几种：

1）顶面设置SiO减反膜，有一层或二层结构。

2）双面陷光方案（上下表面都采用金字塔结构），理论上是最优设计方案。

3）顶面陷光（上表面采用金字塔结构）、底面平面方案。

4）顶面倒金字塔（肉眼看去像绒面）+双层减反膜结构、底面平面方案。

每一种设计都有成熟的案例，本书介绍第四种设计方案，即顶面倒金字塔+双层减反膜结构、底面平面方案。

1.倒金字塔结构底面、平面方案原理

（1）方案原理。照射到金字塔结构上的大部分光线首先会接触到它的几个侧壁之一，其中的大部分会进入电池，反射的光线将会向下传播，以确保这些光线至少有第二次机会进入电池。一些在金字塔底部附近入射的光线会有三次这样的机会。金字塔会被适当厚度的氧化物层即减反膜覆盖，减反膜厚度为四分之一波长，双层结构。

进入到电池中的光线倾斜地向电池背表面传播，其中大部分在传播途中被吸收。吸收较弱的光线到达背表面时，被高效的反射层反射，该反射层是由铝和其覆盖的背面氧化物所形成。这种复合反射层的反射系数，决定于光线的入射角度以及氧化物层的厚度。当入射角度接近垂直时，反射系数通常高于95%；当入射角度接近硅/氧化硅界面发生全反射的临界角时（24.7°），反射系数减小到低于90%；一旦入射角度超过此临界角，反射系数增加至接近100%。然后，从背表面反射的光线会向着电池顶表面传播，其中一部分光线会到达与其金字塔入射面朝向相反的面，这些光线中的大部分立即从电池中逃逸。击中金字塔其他表面的光线会被完全反射回内部。因此，击中顶表面的内部光线中的一半左右，再次被反射回来，穿过电池射向背面电极接触面。第一次来回两度穿越电池后逃逸的光线量，取决于其具体几何形状。通过破坏部分的对称性，可以将逃逸的光线量减少，比如使用倾斜的倒金字塔，或者使用瓦片图案。

（2）倒金字塔结构底面、平面方案优点

1）增加了弱吸收光线在电池内部的路径长度，测量获得的有效路径长度增加因子达到了40以上增益。

2）增强了红外光响应。

3）外部响应率的峰值出现在更长的波长处，并且比以往的峰值更高。以往出现在1.02μm波长处，响应峰值为0.75A/W。

2.倒金字塔设计 倒金字塔塔高5～12μm，分布均匀致密，相邻金字塔之间无间隙，目视为黑色。利用NaOH或KOH的碱性蚀刻液对硅表面进行蚀刻。这种蚀刻反应属于异方向蚀刻反应，也就是说反应速率与方向有关。以硅而言，（111）面的反应蚀刻最慢，所以会被蚀刻出一个倒金字塔，如图4-5所示。

3.双层减反膜设计 常用减反膜材料见表4-4。

图4-5 倒金字塔

表4-4常用减反膜材料

注：表中对应的是1.5eV波段，不是实际选择的最佳波段。

双层减反膜的反射率R→0，第一、二层减反膜折射率必须满足条件：

式中 n₀———空气折射率；(www.xing528.com)

n_s———硅片折射率；

n₁———第一层减反膜折射率；

n₂———第二层减反膜折射率。

减反膜折射率依赖于波长λ。一种减反膜材料对于不同波长λ具有不同的折射率，只能在一个特定的最佳波长λ₀，使减反膜折射率满足式（4-4）。太阳光谱很宽，图4-6示出太阳光谱分布。

说明：太阳辐射能通过大气层的路程越长，大气层对其吸收、反射和散射的程度就越大，到达地球表面的太阳辐射能就越小，这样就引出大气质量这一概念。大气质量定义：太阳光线通过大气的路径与太阳在天顶时光线通过大气的路径之比，用AM表示。在标准大气压（101325Pa）和0℃时，海平面上的太阳光线垂直入射路径的反射率R为1，即AM=1，称大气质量为1，记为AM1。大气层处大气质量为零，记为AM0。我国规定AM1.5为测试太阳电池标称输出功率的条件之一。

设计双层减反膜时，先确定最佳波长，再选择合适折射率的减反膜材料，确定减反膜厚度d₁。光强度最高的波长范围在600～650nm，所以也可将抗反射层最佳波长设计着重于太阳光强度最高的波段，使得大部分波长的太阳光都入射到太阳电池内。这样的抗反射层的设计将会大幅地降低光损失，有效地提高太阳电池的光电流。

图4-6 太阳光谱分布

a）光谱分布 b）大气质量图示

第一层减反膜厚度d₁的计算式如下：

式中 λ₀———最佳波长；

n₁———第一层减反膜折射率。

前表面场制备SiO₂薄膜除起到减反膜作用外，还起到钝化发射极的作用。如果发射极不纯化，前表面具有较高的表面复合速度，甚至形成死层，使光生载流子难以收集。SiO₂是带隙E_g较宽的绝缘体，可以阻挡载流子接近表面，有效地减少了表面复合速度。Si和SiO₂的界面具有更少缺陷，也增强了p-n对蓝光（短波）的光谱响应。

4.背面设计 铝作为背反射器，可使反射率R﹥95%，限制光的透射。在铝和硅之间增加一层SiO₂，可以优化光线反射率，还可起到钝化作用。硅表面有大量悬挂键，这些悬挂键是载流子的有效复合中心，钝化后可以有效地阻止载流子的复合。长波长的光因为吸收系数较小，容易穿透背面电极。当光受到背面电极反射之后，会再一次被硅材料吸收，增加转换成光电流的概率，因此背电极是有效减少长波长光损失的解决方法。

（1）背反射器。它是由背氧化层+铝层构成。进入电池的光多数在路上被吸收，达到背面的微弱地被吸收的光，被铝层覆盖的背氧化层组合形成的反射器反射。反射效率取决于光的入射角和氧化层的厚度，对于接近法线的入射角，反射通常在95%以上。从背面反射的光向上表面运动，达到上表面的某些光，打在它进入电池的金字塔相反方向的面上，多数光立即从电池逃逸；打在金字塔另一些面的光全部反射，使这个阶段上约一半从内部打到顶部的光被反射。

（2）铝背场。铝在硅晶体内掺杂浓度高于硅磷掺杂浓度，存在浓度差。热平衡时，界面附近p区形成空穴积累层，p^+区形成耗尽层，于是空间电荷区内就形成了由p指向p+区的内建电场。这是一个阻止p区的电子向p^+区运动的势垒，形成一个高低结。铝背电场的高低结使光电子反射回去重新被收集，其内建电场加速光生载流子，增加了载流子的有效扩散长度，提高了电池的短路电流。p-p⁺结两端的光电压与n⁺-p两端的光电压叠加，使电池的开路电压提高。

另外，在形成铝背场的同时，由于铝硅原子晶格失配产生的应力，晶体硅中的重金属杂质或空位扩散至界面而被有效吸除。铝背场吸除杂质，可明显提高硅太阳电池的开路电压、填充因子和转换效率。

5.埋栅电极增光效应 埋栅电极遮光面积小，可增加光子的吸收系数。

6.光子循环 由入射光子在半导体p-n结中产生的电子-空穴对，形成光生电流和光生电压的同时，两者还会产生辐射复合。此时，如果该辐射复合所释放出的光子能量大于禁带宽度，它还可以再一次被半导体吸收而产生新的电子-空穴对，这种辐射复合会有效地降低其净复合率。陷光及背反镜的设计为光子循环提供了发挥实效的机会。

提高硅太阳电池输出电流的一个显而易见的方法，就是将那些能量不足以跨越带隙的光子收集并加以利用，以增强电池的红外响应。但是，无论采用任何技术手段，都将会不可避免地提高载流子复合率，因而对电池的开路电压造成不良影响。然而，陷光技术的发展打破了两者间的平衡。这就使亚带隙吸收过程成为最有可能实现极限效率突破的技术手段之一。