基于薄膜干涉理論的三階砷化鎵電池散射光譜研究

李 鵬，李 智，徐 燦，方宇強(qiáng)

1. 航天工程大學(xué)研究生院，北京 1014162. 航天工程大學(xué)，北京 101416

引 言

太陽能電池是保證衛(wèi)星正常工作的重要電力來源。隨著太陽能電池制造技術(shù)發(fā)展，三階砷化鎵電池已將光譜吸收限紅移至1 800 nm，基本實(shí)現(xiàn)太陽光譜的全吸收，因此目前衛(wèi)星上主要采用三階砷化鎵電池。

由于太陽能帆板體積和表面積通常較大，因此對(duì)衛(wèi)星的光學(xué)散射特性影響較大[1]。在NASA的支持下，約翰遜航天中心對(duì)300多種空間目標(biāo)材質(zhì)的光譜特性進(jìn)行了測(cè)量，建立了較為完備的光譜數(shù)據(jù)庫。俄羅斯國家工程物理研究將太陽能電池陣作為一大類重要空間目標(biāo)表面材質(zhì)，開展老化對(duì)材質(zhì)光譜的影響。加拿大Bedard[2]等以Can X-1工程試驗(yàn)小衛(wèi)星為研究對(duì)象，對(duì)其表面主要材質(zhì)鋁以及Emcore 三階砷化鎵電池的光譜雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)進(jìn)行了建模與分析。美國空軍學(xué)院在春分點(diǎn)附近對(duì)兩顆地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)造成衛(wèi)星亮度閃光的主要部件是太陽能帆板[3]。在此基礎(chǔ)上，徐燦[4]等對(duì)地面觀測(cè)GEO衛(wèi)星帆板閃光現(xiàn)象的規(guī)律進(jìn)行了光度仿真驗(yàn)證。國內(nèi)長春理工大學(xué)、光電研究院等機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星表面包覆材料、硅太陽能電池、白漆涂層的光譜BRDF進(jìn)行測(cè)量研究[5-7]，但是對(duì)目前廣泛采用的三階砷化鎵電池研究較少。三階砷化鎵電池研究重點(diǎn)主要在如何提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率上[8]，但是電池的結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)其散射光譜的影響并沒有得到廣泛關(guān)注，而三階砷化鎵電池散射光譜對(duì)衛(wèi)星帆板識(shí)別和指向確定具有重要意義。本文以三階砷化鎵電池為研究對(duì)象，首先對(duì)其散射光譜進(jìn)行測(cè)量，并與硅基太陽能電池散射光譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)三階砷化鎵電池特有的可見光波段的吸收特性以及近紅外波段的干涉特性； 利用薄膜干涉理論，建立基于多層膜系的光譜反射率模型，對(duì)三階砷化鎵電池的吸收特性以及干涉特性進(jìn)行解釋分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

散射光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置如圖1所示，主要由法國REFLET 180S和美國ASD公司FieldSpec@4 光纖光譜儀組成。由于三階GaAs電池樣片鏡反射現(xiàn)象明顯，為得到準(zhǔn)確的散射光譜值，需要高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。REFLET 180S是Light Tec公司開發(fā)的高精度自動(dòng)化測(cè)量樣片散射BRDF的測(cè)量系統(tǒng)，其角度控制精度為0.01°，并且可以提供穩(wěn)定光源和黑暗背景，因此選用REFLET 180S作為光源和轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。FieldSpec@4 光纖光譜儀具有高光譜分辨率(3 nm@700 nm,10 nm@1 400/2 100 nm)和寬光譜范圍的優(yōu)點(diǎn)(350～2 500 nm)，因此選用FieldSpec@4 作為光譜探測(cè)器?？紤]到REFLET 180S 內(nèi)置光源光譜范圍，本次實(shí)驗(yàn)選取的波長范圍為400～1800 nm。

圖1 光譜反射率測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Spectral reflectance measurement system

1.2 原理

采用單一比較法測(cè)量三階砷化鎵電池的光譜反射率。由于太陽能電池片的強(qiáng)鏡反射特性，若采用常規(guī)的聚四氟乙烯(F4)壓制的白板，在鏡反射方向附近的樣片光譜反射率將遠(yuǎn)大于1，這與實(shí)際情況是不符的，因此對(duì)于鏡反射類型材質(zhì)樣片，實(shí)驗(yàn)中采用REFLET 180S配備的由美國計(jì)量院標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡作為定標(biāo)體，其鏡反射方向光譜反射率基本都在0.95以上，設(shè)鏡反射方向標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡的光譜反射率為ρcal。光譜反射率測(cè)量原理： 設(shè)入射角為θi，反射角為

圖2 光譜反射率測(cè)量流程Fig.2 Flow chart of spectral reflectance measurement

θr，ASD測(cè)量的太陽能電池樣片光譜原始灰度(digital number,DN)值為DNmaterial，標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡的光譜DN值為DNcal，則在(θi,θr)方向上樣片的光譜反射率ρ為

(1)

實(shí)驗(yàn)采用逐點(diǎn)測(cè)量的方法。測(cè)量入射角θi選取5°，15°，30°，45°，60°，因?yàn)樘柲茈姵仄膹?qiáng)鏡反射性，選擇的反射角θr=θi±2°，角度間隔為0.1°。光譜反射率測(cè)量流程如圖2所示。

1.3 測(cè)量結(jié)果

圖3為入射角30°時(shí)三階砷化鎵電池光譜反射率曲線。

從圖3中可以看出，三階砷化鎵電池光譜反射率曲線具有三個(gè)特征：

(1)三階砷化鎵電池散射光譜鏡反射現(xiàn)象明顯。在鏡反射時(shí)(θr=θi)，光譜反射率值最高，隨著反射角逐漸偏離鏡反射方向，反射率逐漸降低。當(dāng)反射角偏離鏡反射方向2°時(shí)，光譜反射率已經(jīng)降到0.05左右。三階砷化鎵電池的強(qiáng)鏡反射特性與衛(wèi)星的光度特性中偶爾觀測(cè)到帆板閃光現(xiàn)象的結(jié)論是一致的[4]。

(2)可見光波段存在明顯吸收峰。在可見光波段600～850 nm之間，反射光譜曲線中均出現(xiàn)三個(gè)明顯吸收峰，硅基電池并沒有這種吸收特性，說明該吸收峰是三階砷化鎵電池內(nèi)部某種特殊材料造成的。

(3)近紅外波段存在周期性震蕩特性。在900 nm以后，光譜反射率曲線出現(xiàn)了明顯的類正(余)弦曲線的周期性震蕩特征，而硅基太陽能電池并沒有這種周期性震蕩特征，說明這種周期性震蕩特性是三階砷化鎵電池近紅外波段重要的光譜特征，可作為三階砷化鎵電池識(shí)別的重要依據(jù)。

圖4 硅基電池光譜反射率Fig.4 Spectral reflectance of Si-based solar cell

2 結(jié)果與討論

2.1 多層膜的反射率模型

實(shí)驗(yàn)中采用的是上?？臻g電源研究所研制的GaInP/GaAs/Ge三階砷化鎵電池，該電池采用雙層減反射膜(double anti-reflection coating,DAR) TiO2/Al2O3，以Ge為襯底，由三個(gè)N/P結(jié)構(gòu)的子電池通過隧穿結(jié)串聯(lián)形成，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)32%，目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星上。圖5為三階砷化鎵電池具體物理特性模型以及簡(jiǎn)化模型。

簡(jiǎn)化模型各層厚度如下： TiO2=50 nm，Al2O3=50 nm，GaInp=670 nm，GaAs=3 700 nm，Ge=170 000 nm，電池片總厚度約為174.47 μm。

采用導(dǎo)納矩陣法推導(dǎo)多層膜與基底組合的等效光學(xué)導(dǎo)納Y與膜層及基底結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系式[9]

(2)

式(2)中：E0是第1層膜上界面(入射介質(zhì)空氣)外側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，Ek+1是第k層膜(出射介質(zhì)Ge)下界面外側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，k為膜層數(shù)，η是修正導(dǎo)納，δj為第j層膜的有效相位厚度，表達(dá)式為

(3)

式(3)中，d為每層膜的厚度，nj是每層膜的折射率，θj為折射角。

圖5 三階砷化鎵電池詳細(xì)(a)和簡(jiǎn)化(b)模型Fig.5 Detailed (a) and simplified (b) models oftriple-junction solar cell

所以任意k層膜系的光譜反射率R為

(4)

當(dāng)入射光是無偏振的，根據(jù)菲涅爾方程，總的光譜反射率為

(5)

式(5)中，RS和RP分別代表S偏振波和P偏振波入射時(shí)的光譜反射率。

入射角30°時(shí)三階砷化鎵電池鏡反射方向仿真和實(shí)測(cè)光譜反射率對(duì)比如圖6所示。

從圖6中可以看出，在400～600 nm波段，仿真和實(shí)測(cè)光譜反射率曲線走勢(shì)一致，均是逐漸減小，但是幅值存在差異； 在600～900 nm仿真光譜反射率曲線同樣存在三個(gè)吸收峰，實(shí)測(cè)和仿真光譜反射率吸收峰波長如表1所示。在表1中，首先將實(shí)測(cè)和仿真光譜在相同入射角情況下進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真和實(shí)測(cè)光譜吸收峰波長接近，存在穩(wěn)定的相位差，約為30，20和10 nm； 其次對(duì)比不同入射角吸收峰波長，發(fā)現(xiàn)隨入射角增大吸收峰基本符合向左“遷移”特性(不考慮5°時(shí)的小角度入射)，從入射角15開始，角度每增大15°，遷移波長約為5～10 nm。

圖6 三階砷化鎵電池仿真和實(shí)測(cè)光譜反射率對(duì)比

900 nm以后，仿真和實(shí)測(cè)散射光譜均出現(xiàn)了類周期性震蕩現(xiàn)象，900～1 400 nm波段仿真和實(shí)測(cè)光譜曲線振幅和頻率基本一致，在1 400 nm以后仿真和實(shí)測(cè)光譜曲線振幅和頻率出現(xiàn)了差別。

分析仿真和實(shí)測(cè)光譜曲線存在差異的主要原因是文中采用材料的折射率和消光系數(shù)均是網(wǎng)上開源獲取的數(shù)據(jù)，和文中三階砷化鎵各層膜的折射率和消光系數(shù)不可能完全一致，并且三階砷化鎵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用簡(jiǎn)化模型必然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)差別。但是建立的基于多層膜系的光譜反射率計(jì)算模型，基本擬合出了實(shí)測(cè)光譜的可見光波段吸收和近紅外波段干涉特性，說明光譜計(jì)算模型的正確性。

表1 三階砷化鎵電池仿真和實(shí)測(cè)光譜反射率可見光波段吸收峰Table 1 Triple-junction solar cell absorption peak of simulated and measured spectral reflectance in visible band

2.2 不同膜層對(duì)三階砷化鎵電池散射光譜的影響

在三階砷化鎵光譜反射率仿真計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)襯底Ge層對(duì)散射光譜沒有影響，Ge層主要影響近紅外波段(850～1 650 nm)透射光譜和增加太陽光吸收效率。以入射角30°為例，Ge層對(duì)透射光譜的影響如圖7所示。

因?yàn)橐r底Ge層對(duì)散射光譜沒有影響，因此影響散射光譜的主要是DAR層，GaInP層和GaAs層。入射角30°時(shí)，DAR層對(duì)散射光譜的影響如圖8所示。

從圖8可以看出，僅含DAR層時(shí)，可見光波段沒有出現(xiàn)吸收峰，近紅外波段也沒有出現(xiàn)類周期性震蕩的薄膜干涉現(xiàn)象； 而去除DAR層的三階砷化鎵電池，反射率幅值整體提高，可見光波段有明顯吸收峰，近紅外波段出現(xiàn)薄膜干涉，曲線形狀基本不變，因此可以得出結(jié)論： 三階砷化鎵電池在可見光波段的吸收特性和近紅外波段的干涉特性均是由電池的GaInP層和GaAs層決定的，與DAR層沒有關(guān)系，DAR層主要作用是降低反射光能量，提高光的透過率。

進(jìn)一步分析GaInP層和GaAs層對(duì)電池散射光譜的影響，將GaInP層和GaAs層的光譜反射率單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，入射角30°時(shí)結(jié)果如圖9所示。

圖7 三階砷化鎵電池光譜透過率Fig.7 Spectral transmittance of GaInP/GaAs/Getriple-junction solar cell

圖8 DAR層對(duì)三階砷化鎵光譜反射率的影響Fig.8 Influence of DAR layer on spectral reflectanceof triple-junction solar cell

圖9 GaInP和GaAs層對(duì)三階砷化鎵光譜反射率的影響Fig.9 Influence of GaInP and GaAs layers on spectralreflectance of triple-junction solar cell

從圖9中可以看出，僅含頂電池GaInP層的光譜反射率曲線在可見光波段出現(xiàn)三個(gè)吸收峰，而GaAs層的光譜反射率曲線在可見光波段沒有吸收峰，因此三階砷化鎵電池可見光波段的吸收特性主要是由頂電池GaInP層引起的； GaAs層光譜反射率曲線在900 nm后出現(xiàn)周期震蕩的薄膜干涉特性，而僅含頂電池GaInP層的光譜反射率曲線近紅外波段僅存在三個(gè)吸收峰，沒有明顯的干涉特性，說明引起三階砷化鎵電池散射光譜近紅外波段干涉特性的主要是GaAs層； 但是單獨(dú)GaAs層引起干涉的頻率、振幅和三階砷化鎵電池的干涉特性曲線存在差異，說明GaInP層對(duì)干涉曲線振幅和頻率起到調(diào)制作用。

3 結(jié) 論

三階砷化鎵電池是目前衛(wèi)星帆板廣泛采用的電池材料。測(cè)量了三階砷化鎵電池的散射光譜，發(fā)現(xiàn)其散射光譜在可見光波段存在三個(gè)明顯吸收峰，并且900～1 800 m波段散射光譜出現(xiàn)類正(余)弦周期性震蕩特性。為解釋這兩個(gè)特殊現(xiàn)象，針對(duì)三階砷化鎵電池的物理結(jié)構(gòu)，建立了通用的簡(jiǎn)化模型。利用薄膜光學(xué)理論，建立基于多層膜的反射率模型，模擬的反射光譜基本擬合出可見光波段的吸收特性和近紅外波段的干涉特性。利用光譜反射率計(jì)算模型，分析了不同膜層對(duì)散射光譜的影響。結(jié)果表明： 襯底Ge層對(duì)散射光譜沒有影響，主要作用是增加光的吸收率； DAR層主要作用是降低反射率，對(duì)光譜形狀影響不大； 頂電池GaInP層是引起可見光波段三個(gè)明顯吸收特性的主要原因，中電池GaAs層是引起近紅外波段干涉特性的主要原因，但同時(shí)GaInP層對(duì)干涉特性曲線的振幅和頻率起調(diào)制作用。相關(guān)研究對(duì)衛(wèi)星太陽能帆板、太陽能電池碎片的識(shí)別具有重要意義。