专利名称：低折射率纳米材料减反射膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳电池领域中的反射膜，特别涉及一种纳米减反射膜。
背景技术：
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的能源。虽然太阳能光伏产业以每年
约33%的速度在增长，但是太阳的能量却因太阳能电池的成本居高不下，难以
得到充分应用。目前，通过光伏太阳能电池将阳光转换为电力的挑战在于 大幅度降低输送每瓦太阳能电力的成本，而如果要与化石燃料、核能发电竞 争，还要再降低5—10倍；与初级化石能源竞争则要降低25—50倍。太阳电池 是把光能转换为电能的光电子器件，它的效率的提高是长期以来人们一直致 力解决的问题，而影响电池效率的一个重要因素就是电池对入射到其表面光 的利用率，即电池对入射到其表面各波长光的光谱响应。我们知道，硅是间 接跃迁型材料，其吸收系数低，同时光在硅表面的反射使太阳电池的光损失 约1/3。根据菲捏耳的反射原理，在电池表面制备单层或多层减反射膜(其折 射率较小)可以减小入射光的反射，增加透射，增加光子的有效吸收，入射 光子数越多，光谱响应越大，电池的光电转换效率也就越高。因此，对空间 硅太阳电池减反射膜以及光谱响应进行研究是太阳电池设计、制备中的关键。 目前，国内、外对单晶硅太阳电池减反射膜的设计、制备等已经做了大 量的详细研究工作，单、双甚至三层减反射膜均已被广泛应用到单晶硅太阳 电池的制备中，特别是双层减反射膜在应用中已经取得了很好的减反射效果。 但由于常规减反射膜材料折射率的限制，使得现在常用的太阳电池用减反射 膜的减反射效果被削弱。这是因为， 一般常规的减反射膜材料的折射率都大于1.4。纳米材料是利用物质在小到纳米尺度以后，由于尺寸效应、表面效应 和宏观量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。近年来，纳米添加、 复合与组装技术，对材料科学研究，包括材料改性、新材料合成和新材料的 应用，产生了重要影响。有关研究已经表明，纳米技术，如量子点技术、纳 米表面改性技术等，可以提升太阳能发电技术的竞争力。对减反射膜而言， 提高材料的反射效率的关键在于首先获得具有小的折射率材料。而对于一般 的体材料来说，其折射率都比较大，而折射率介于1 1.4的材料几乎没有， 这就必须采用纳米材料和纳米技术，改善材料的微观结构，从而减小折射率。 随着纳米技术的发展，使得制备折射率在1.4以下的纳米材料成为可能[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。 国内外虽有很多关于太阳电池减反射膜的研究，但缺乏对低折射率材料(小 于1.4)在空间硅太阳电池减反射膜系设计的研究。
发明内容
本发明是针对现有空间硅太阳电池中缺乏减反射膜设计的问题，提出了 一种纳米减反射膜，低折射率纳米材料的减反射膜系的结构，该结构通过使 用低折射率纳米材料，使得反射率得以减小，减反射效果明显，从而较好地 解决了空间硅太阳电池在使用过程的减反射问题。
本发明的技术方案为 一种低折射率纳米材料减反射膜，包括减反射膜， 所述减反射膜中至少有一层采用折射率在1.1 1.4之间，加权平均反射率在 1.17% 5%之间的纳米材料，即该纳米材料折射率可根据其它膜层厚度、折 射率等因素在1.1 1.4之间进行调整，同时纳米材料膜的厚度也做相应变化，所得加权平均反射率在1.17% 5%之间变化。
所述减反射膜为双层时，膜参数为n产1.3， d产110nm， n2=2. 3， d2=64 nm， 得出加权平均反射率为Rw =1. 36%，比常规双层减反射膜最小加权平均反射率 降低了 15%，其中m为第一层低折射率纳米材料的折射率，山为其厚度，n2 为第二层材料折射率，d2为第二层材料厚度。
所述减反射膜为三层时，膜参数为n产l.l， d产96nm, n2=l. 46， d2=85 nm， n3=2.3， d3=61 nm，得出加权平均反射率为Rw =1. 17%，比常规三层减反射膜 最小加权平均反射率降低了 24. 5%，其中rn为第一层低折射率纳米材料的折射 率，山为其厚度，ri2为第二层材料折射率，d2为第二层材料厚度，ri3为第三层 材料折射率，d3为第三层材料厚度。
本发明的有益效果在于本发明纳米减反射膜在减反射膜系结构中采用 了低折射率纳米材料，通过计算机仿真模拟对空间硅太阳电池减反射膜进行 了设计，分别设计了采用低折射率纳米材料的双、三层膜，优化出了最佳的 膜系参数，得到了最小的加权平均反射率，为空间硅太阳电池减反射膜的制 备提供了理论上的依据。
图1常规折射率材料双层膜反射率R随波长;i变化曲线图2本发明三种不同折射率的纳米材料优化设计的双层减反射膜的反射率随
波长的变化曲线图3常规折射率材料MgF2 (102nm) /Ti02 ( 49nm) /Si02三层膜时反射率随Si02 层厚度的变化曲线图4本发明纳米减反射膜三层纳米减反射膜反射率随波长变化曲线图；图5本发明纳米减反射膜改变了第二层材料的三层减反射膜的反射率变化曲 线图。
具体实施例方式
单层减反射膜是利用光在减反射膜的两侧处反射光存在位相差的干涉原 理而达到减反射效果，可利用菲涅耳公式求得反射率。对于多层膜系，可以 在其中任取一层，把上面各层膜等效为一个界面，把下面各层膜也等效为一 个界面，则整个系统等效为一个单层膜，也可求出多层膜系的等效菲涅耳系 数，从而求出反射率。在讨论中如果引入光学导纳(Y)的概念来分析多层光 学薄膜的反射性质是方便的。这时对折射率为n。的入射介质和把m层连同基 底一起等效为一个新基体的界面套用菲涅耳公式，则可得到多层介质膜的反 射系数r， r=(n。-Y)/(n+Y)，而反射率为
式中Y二C/B。可由下述等效光学导纳的特征表达式得到 C
式中2&等于相邻两相干光束的位相差，&=2^《/;i。以上给出的公式为垂
直入射光的情况。
膜系的反射率R取决于上面的膜层结构参数。 一般情况下，对于垂直入射
和入射光的光谱分布是已知的，因此可通过调整膜系的层数m和各层膜的光 学厚度nidi (i二l， 2，…，m)来得到最小的反射率。
太阳光分布在一个较大的波长范围内，因此，对太阳电池要求在一个较 宽的光谱范围内有良好的减反射效果，使更多入射光能进入电池。考虑到硅
z力jt sin&材料的内部量子效率，光伏应用的硅太阳电池需要在所有的可见光谱
(300mn 1100nm)范围内有一个最小的反射率。为使硅能吸收更多的光子， 并将这些光能转换为电能，在减反射膜设计中，考虑硅材料的内部量子效率 的同时还要兼顾太阳光的光谱特性，对于空间用太阳电池考虑的是AMO太阳 光谱。于是，由单个波长点反射率、入射光子通量、硅材料的内部量子效率， 可计算出在整个光谱范围内的加权平均反射率
R— _^_ w---
式中F")为入射光子通量，QU)为硅的内部量子效率，R")为减反射膜在 对应波长点的反射率，；U、厶为光谱波长上下限，^二300nm、义2=1100咖。
本发明设计了多种组合的减反射膜系结构，给出了最优化的结果，其优
点是①本发明将低折射率纳米材料引入减反射膜系设计中，达到了良好效 果；②本发明的设计结果具有工艺方便实现、应用前景广泛等优点，为空间 硅太阳电池减反射膜的制备提供了制备参数，可应用于太阳能产业领域和通 信、建筑环保节能、IT产业、汽车工业、军事、航空航天技术等领域。 1、常规材料双层减反射膜
如图1所示常规折射率材料双层膜反射率R随波长义变化曲线，我们分别 利用计算机程序模拟了常规折射率材料MgF2/Ti02， Si02/Ti02双层膜在最佳膜 层厚度时的反射率随波长的变化曲线，如图1所示。对于MgF2/Ti02双层膜， 膜厚d (MgF2) =100 nm， d (Ti02) =62 nm时，有最小的加权平均反射率， RWmi =1.23%， Si(VTi02双层膜，膜厚d (Si02) =94跳d (Ti02) =61 nm 时，RWn=1.6%，可见，组合好的纳米尺度的常规材料双层膜已取得了较好的减反射效果。
2、 新纳米材料双层减反射膜
为了更进一步的降低入射光的反射率，我们采用低折射率的新纳米材料 作为减反射膜材料进行了优化设计。对于双层膜，分别采用了三种不同折射 率的纳米材料优化设计了三种不同的减反射膜系，减反射效果也不同。如图2 给出了优化的三种双层减反射膜的反射率随波长的变化曲线。m为第一层低折 射率纳米材料的折射率，山为其厚度，ri2为第二层材料折射率，采用的材料是 Ti02， d2为第二层材料厚度。Rw是计算得到的加权平均反射率。曲线B的优化 膜系参数为n产l.l， dfl33nm， n2=2.3， d2=66 nm，计算得出加权平均反射率 为Rw =4. 74%。曲线C的优化膜系参数为n产l. 2， d产121 nm， n2=2. 3， d2=65 nm， 计算得出加权平均反射率为Rw =2.43%。曲线D的优化膜系参数为ni=1.3， d产110 nm， n2=2.3, d2=64 nm,计算得出加权平均反射率为Rw =1.36%。
由图可以看出，三个曲线在600 nm波长附近均有最小的反射率，而曲线 D在各个波长点的反射率均比曲线B， C低，因此曲线D具有最佳的减反射效 果。与采用常规材料的双层膜的设计结果相比较，曲线D的加权平均反射率 更低，利用D的优化膜系参数的纳米减反射膜比常规的减反射膜具有更好的 减反射效果。计算可知，与常规双层减反射膜相比，优化的纳米减反射膜最 小加权平均反射率降低了 15%。
3、 常规材料三层减反射膜
图3给出了常规折射率材料MgF2 (102nm) /Ti02 (49nm) /Si02三层减反 射膜的Si02层厚度变化时的反射率变化曲线，在三维坐标中Si02厚度是变化 的参数，当Si02层厚度为10nm时，此三层膜有最小的加权平均反射率，R配n=1.55 %。随着Si02层厚度的增加反射率最小点逐渐向长波方向移动，短波 方向及可见光区的反射率越来越大，这使得减反射效果越来越差。计算得出， 当Si02层厚度分别变为15nm, 20 nm， 25 nm， 30 nm时，R，的值分别为2. 31 %， 3.81 %， 5.91 %， 8.46 %，可见随Si02层厚度的增加，加权平均反射率 也在逐渐增加，减反射效果不理想。 4、新型纳米材料三层减反射膜
对于三层膜，也分别采用了三种不同低折射率的纳米材料优化设计了三 种不同的减反射膜系。图4为优化的三种双层减反射膜的反射率随波长的变 化曲线。三种膜系参数分别为，曲线E的优化膜系参数为n产l. 1， d产96 nm, n2=1.46， d2=85nm， n3=2. 3， d3=61 nm，计算得出加权平均反射率为Rw =1. 17%。 曲线F的优化膜系参数为n产l. 2，山=59 nm, n2=l. 46， d2=76醒，n3=2. 3， d3=60 nm,计算得出加权平均反射率为Rw=l. 25%。曲线G的优化膜系参数为ni=l. 3， d产66 nm， n2=1.46， d2=50 nm， n3 = 2.3， d3=60 nm，计算得出加权平均反射 率为Rw =1.21%。
由图可以看出，三个曲线在450 nm和800 nm波长附近分别有较小的反 射率，三种膜系均有很好的减反射效果。与采用常规材料的三层膜的设计结 果相比较，采用纳米材料的三层膜加权平均反射率更低，采用纳米材料的三 层膜的减反射效果明显优于常规材料减反射膜，加权平均反射率降低了 24.5%。此外，对于常规材料，三层膜的加权平均反射率比双层膜高，而采用 低折射率的纳米材料后，三层膜加权平均反射率比双层膜低，减反射效果明 显得到改善。
图5为改变了第二层材料的三层减反射膜的反射率变化曲线。第一层为低折射率的纳米材料，折射率为1.1，第三层仍然为Ti02，我们把第二层材料 变为折射率较低的MgF2。优化得到，此膜系的第一、二、三层厚度分别为56 nm， 91 nm， 62nm时，具有最小加权平均反射率，Rw =1. 18%,可见，此三层膜系 也具有很好的减反射效果。
权利要求
1、一种低折射率纳米材料减反射膜，包括减反射膜，其特征在于，所述减反射膜中至少有一层采用折射率在1.1～1.4之间，加权平均反射率在1.17％～5％之间的纳米材料。
2、 根据权利要求1所述低折射率纳米材料减反射膜，其特征在于，所述减反 射膜为双层时，膜参数为nfl.3， d产110 nm， n2=2. 3， d2=64 nm，得出加权 平均反射率为Rw=1.36%，比常规双层减反射膜最小加权平均反射率降低了 15%，其中m为第一层低折射率纳米材料的折射率，山为其厚度，ri2为第二层 材料折射率，d2为第二层材料厚度。
3、 根据权利要求1所述低折射率纳米材料减反射膜，其特征在于，所述减反 射膜为三层时，膜参数为n产l.l， d产96nm， n2=l. 46， d2=85 nm， n3=2. 3， d3=61 nm，得出加权平均反射率为1^=1.17%，比常规三层减反射膜最小加权平均反 射率降低了 24. 5%，其中m为第一层低折射率纳米材料的折射率，ch为其厚度， n2为第二层材料折射率，d2为第二层材料厚度，ri3为第三层材料折射率，d3为 第三层材料厚度。
全文摘要
本发明涉及一种低折射率纳米材料减反射膜，将低折射率纳米材料引入减反射膜系设计中，达到了良好效果；低折射率纳米材料减反射膜的设计结果具有工艺方便、实现应用前景广泛等优点，为空间硅太阳电池减反射膜的制备提供了制备参数，可望应用于太阳能产业领域和通信、建筑环保节能、IT产业、汽车工业、军事、航空航天技术等领域。
文档编号H01L31/052GK101431110SQ20081020077
公开日2009年5月13日 申请日期2008年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者刘永生, 杨文华 申请人:上海电力学院