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制备过程
以纯硅烷(SiH4)和纯甲烷(CH4)为气源,在硅衬底以及 玻璃衬底上沉积a-SiCx:H薄膜 反应的动力是来自被高频电场加速的电子和离子,它 们与反应气体分子碰撞,电离或激活成活性基团,因 而可以在远低于热反应的温度下制备薄膜。
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制备过程
通过改变衬底温度、气源流量比和射频功率分别制备aSICx:H薄膜样品,并对其进行测试分析,讨论制备条件对薄 膜表面形貌、化学结构、光学性能等的影响，并对薄膜的 成膜机理和结构模型进行探讨 利用正交实验法研究PECVD设备制备的a- SiCx:H薄膜的 沉积参数对薄膜减反射性能的影响,确定影响其减反射性 能的主要沉积参数,寻找最佳的沉积条件
[4]刘永生,谷民安,杨晶晶,等.太阳电池用低折射率纳米晶减反射膜研究[J]. 华东电力,2010,38(11):1794-1796
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SiCx:H膜:具有较低的电导率和较宽的光学带隙,并且折射 率根据碳成分可调(2.0-3.75),薄膜中H含量高;其次具有优 良的机械性能、抗腐蚀性和热稳定性;能减少反射,沉积时 释放的氢对硅材料的晶界和体缺陷起到钝化作用降低了表 面复合速率,增加了少子寿命,从而提高了太阳电池效率
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图2 理论与实际对比
镀膜后的玻璃在430nm和643nm处分别达到透射率极大值97.72%、98.35% 在可见光区域(400~800nm)平均透过率达到96.40% 与不镀膜的玻璃相比,提 高了6.12%具有很好的增透效果;在紫外光波段,由于双层膜反射率的迅速提 高以及TiO2薄膜对紫外光的强吸收, 极大的降低了该波段光透过率;在红外光 波段,双层膜反射率的大幅增加也抑制了该区太阳光的透过率
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参考文献
[1]张瑞丽.太阳能电池用a-SICx:H薄膜的制备与性能研究[D],浙江:浙江理工 大学,2010 [2]王贺权.太阳电池减反射膜的研究[D],辽宁:东北大学,2005 [3]王晓栋,沈军,谢志勇,等.太阳能玻璃表面高强度双层减反膜制备研究[J]. 光子学报,2009,38(10):2501-2505
衬底温度250度,流量比V(SiH4):V(CH4)=1:3,射频功率35w
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在最优参数下,波长小于400nm时,薄膜透过率很小,这也说明了薄膜对 紫外光有较弱的透过性.薄膜的平均透过率在90%左右,说明在整个太 阳电池光谱响应范围内,薄膜对光的吸收很少,薄膜具有良好的透过性. 总的来说,在优化后的制备条件下沉积的a-SICx:H薄膜具有良好的光 学性能,能起到较好的减反射效果
射频磁控溅射设备
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立式提拉镀膜机
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随着氧流量的增加薄膜的反射低谷向中心波长550nm处 移动
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随着总气压的增加薄膜的反射低谷向短波方向移动
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随着温度的增加薄膜的平均反射率降低并且反射低谷向长 波方向移动
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随着靶基距的增加薄膜的反射低谷先短波再长波之后再短 波
液相法:化学镀、电镀、浸渍镀 其它:喷涂、涂覆等
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几种AR薄膜的制备
化学气相沉积(PECVD) 制备氮化硅 (SiCx:H)AR膜
磁控溅射法(PVD)制备SiO2 /TiO2减反射膜
溶胶凝胶提拉法制备SiO2 /TiO2减反射膜
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等离子体(PECVD) 制备碳化硅(SiCx:H)AR膜[1]
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最佳沉积条件
①随着衬底温度的升高,薄膜致密度增加,膜内Si-C键含量 增大,薄膜生长速率降低,折射率升高,光学带隙变窄 ②随着CH4流量的增大,薄膜粗糙度先减小后增大,并且当 SiH4与CH4流量比为1:2时,薄膜最致密;随CH4流量的增大, 生长速率减小 ③随着射频功率增大,薄膜致密度增加,粗糙度减小;折射率 随射频功率的增大而增大;缺陷态减少导致光学带隙变宽
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TiO2的特性
纳米TiO2(粒径在1-100nm)由于粒子直径小,表面积大从而使 其具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧 道效应和介电限域效应 TiO2薄膜具有杀菌消毒、光催化、光降解、防雾、防露、自 清洁以及对紫外光的强烈吸收
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磁控溅射法(PVD)制备SiO2 /TiO2减反射膜[2]
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减反射薄膜的发展
人类为了更好的利用光，经过了许多探索。薄膜的一些奇 异性质最先引起人们的注意，但是即使是单层膜的应用也 历尽艰辛。 早在1817年夫琅和裴便已制成了世界上第一批单层减反射 膜。1866年瑞利报告说，年久失泽的玻璃的反光比新鲜玻 璃的反光弱;但瑞利的发现在当时由于没有实际需要，并 未引起人们的重视。直到最后，大气腐蚀失泽的一批透镜 被光学零件制造师—泰勒偶然发现后，他才致力于用腐蚀 法使玻璃表面人工失泽，以降低折射界面的讨厌的反射。 二十世纪三十年代中期才应该认为是薄膜在光学上加以应 用的真正开端。
光学薄膜在太阳能电池中的应用
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太阳能电池的发展
1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石 能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能 源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为 此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持 太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的 大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开 发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。 1839年法国实验物理学家第一次报道了他在电解槽中发现了光生伏特 效应。 1877年，W.G. Adams和R.E. Day在固体硒中观察到了光生伏特效应， 并制作第一片硒太阳电池。 1904年德国物理学家爱因斯坦仁Albert Einstein)发表了关于光电效 应的论文，成功地提出了光生伏特效应的理论
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结论
通过分析:制备TiO2薄膜应当选用常温,靶基距为 190nm,氧流量为15sccm,总气压为4×10-1Pa的条 件,在此条件下获得的薄膜与SiO2 薄膜匹配制成双 层减反射膜将会达到最佳减反射效果
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SiO2 /TiO2 W形减反射膜[3](λ/４-λ/２)
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AR薄膜的制备方法
气相法:利用各种材料在气相间、气相和固体基础表面间所产生的物理、 化学过程而沉积薄膜的方法
化学气相沉积(CVD) 、物理气相沉积(PVD)
CVD可以分为热CVD 、光CVD 和等离子体CVD(根据促使化学反应 的能量可以来自加热、光照和等离子体)
PVD利用加热材料而产生的热蒸发沉积、利用气体放电产生的正离 子轰击阴极(靶材)所产生的溅射沉积、把蒸发和溅射结合起来的离子 镀以及分子束外延
裸硅表面的反射率在30%以上
将电池表面腐蚀成绒面或者多孔状(增加光与 半导体表面作用的次数,同时会使电池温度升高) 镀上减反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等)2015 Nhomakorabea5-15
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光学薄膜（optical coating ）
光学薄膜是一种为改变光学零件表面光学特性而镀在光学 零件表面上的一层或多层膜。可以是金属膜、介质膜或这 两类膜的组合。 它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏 振膜等。 减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此， 它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点 是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的 层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率， 达到最理想的效果。
设定SiO2薄膜TiO2薄膜的厚度 d1、d2初值分别为 89.75nm、124.12nm(n1d1＝λ/4,n2d2＝λ/2,中心波长 选用 510nm, n1n2分别为SiO2 /TiO2对510nm波长的 折射率)使用macleod膜系设计软件对膜系进行拟合优 化.最后得到优化结果为93.55nm 、 125.45nm
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以上仅仅是垂直入射的情况。在倾斜 入射时，情况与上述类似，只是膜层 的有效相位厚度减少了，因而最佳透 射波长更短些。
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太阳的光谱与太阳能电池
太阳辐射的波长范围:紫外光区(7%)红外光区(43%)和可见 光区(50%) 硅在红外波段透过率很高,但对红外波段太阳辐射能的利 用很少;红外光的热效应会降低电池的太阳能转换效率和 使用寿命 紫外波段光对电池板胶合材料(EVA)有老化作用 400~800nm范围实现减反射,对紫外光(λ<400nm)有较强的 吸收;对红外光(λ>800nm)的透过率有较大抑制
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太阳能电池的分类
硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)
(24.7%)
化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等) 有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等) 纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2)
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各种太阳能电池所占比例
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如何减少硅太阳能电池表面反射率
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单层减反射薄膜的原理
结构最简单的减反射膜是单层膜。图1所示 为单层减反射薄膜的矢量图。
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膜有两个界面就有两个矢量，每个矢量表示一个 界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于 基片的折射率，则在每个界面上的反射系数都为 负值，这表明相位变化为180°（若反射光存在于 折射率比相邻媒质更低的媒质内，则相移为 180°;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率 ，则相移为零。 ）。 当膜层的相位厚度为90°时，即膜层的光学厚度 为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完 全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等 ，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，于是 出现了零反射率。