四結(jié)太陽(yáng)電池I-V測(cè)試用濾光片設(shè)計(jì)

薛 超，孫 強(qiáng)，張啟明，郭宏亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

星用空間電池主要為多結(jié)Ⅲ-V 化合物電池，從最初的單結(jié)GaAs、雙結(jié)GaAs/Ge 和三結(jié)InGaP/GaAs/Ge 發(fā)展到四結(jié)太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池電性能中最重要的參數(shù)是光電轉(zhuǎn)換效率，能否被準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于航天飛行器太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)非常重要。在地面通常采用人造光源(氙燈、冷光燈、LED 燈、鹵素?zé)舻?來(lái)模擬太陽(yáng)光，即采用太陽(yáng)模擬器，進(jìn)行太陽(yáng)電池電性能測(cè)試。然而，人造光源的光譜相比于太陽(yáng)光譜有很大的差異。例如，氙燈在近紅外端具有很高的強(qiáng)度，鹵鎢燈在藍(lán)紫光區(qū)域相對(duì)較弱。單純依靠人造光源來(lái)模擬太陽(yáng)光譜會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。為了準(zhǔn)確測(cè)量太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)模擬器一般通過(guò)在光路中添加適當(dāng)?shù)臑V光片進(jìn)行光譜調(diào)整。為了達(dá)到方便調(diào)整太陽(yáng)模擬器光譜的目的，目前較為常用的方法[1-2]是通過(guò)單一濾波片反射掉多余的光子，使得濾波后的光譜接近AM0 或AM1.5G。該濾波片能夠過(guò)濾掉氙燈的近紅外波段，從而減小了近紅外對(duì)電池測(cè)試造成的誤差。該方法可以用于硅、CIGS 等單結(jié)電池測(cè)試，但是未能滿足多結(jié)電池的測(cè)試要求。這是因?yàn)槎嘟Y(jié)電池對(duì)光譜的要求更為精細(xì)。例如，對(duì)于GaInP/GaAs/Ge 晶格匹配三結(jié)電池，需要同時(shí)調(diào)整380～660 nm 和660～880 nm 兩個(gè)波段的強(qiáng)度才能獲得準(zhǔn)確的I-V 曲線和轉(zhuǎn)換效率，單一濾波片顯然無(wú)法滿足這一要求。而目前尚處于研發(fā)中的具有更高效率的四結(jié)電池則需要四個(gè)濾波片。因此，在本文中將開(kāi)展帶通和帶阻濾波片設(shè)計(jì)，以滿足未來(lái)四結(jié)電池(InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.57Ga0.43As)測(cè)試需求。

1 濾光片的設(shè)計(jì)原理及薄膜材料的選擇

在襯底上沉積光學(xué)厚度為1/4 λ0的單層膜，由于入射介質(zhì)與薄膜界面產(chǎn)生的反射光和薄膜與襯底界面產(chǎn)生的反射光同相位，形成相長(zhǎng)干涉，使得反射光增大。對(duì)于垂直入射的情況，中心波長(zhǎng)λ0處的反射率R為[3]：

式中：n0為入射介質(zhì)的折射率；nH為薄膜的折射率；ng為襯底的折射率。

假設(shè)總共沉積2s+1 層，每層的光學(xué)厚度均為λ0/4。對(duì)于空氣中垂直入射的情況，中心波長(zhǎng)λ0的導(dǎo)納為[3]：

λ0處的反射率具有極大值[3]：

因此，高低折射率交替蒸鍍的膜層數(shù)越多，nH與nL的比值越大，則反射率越高。除了反射率以外，高反射區(qū)域的帶寬也是濾光片設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。高反射帶寬Δλ由式(4)(5)確定[3]：

式中：n為反射帶的級(jí)次；λ0處的高反射帶寬為(Δλ)1。

這說(shuō)明高反射帶寬Δλ 與膜層的數(shù)量無(wú)關(guān)，主要和高低折射率的比值、中心波長(zhǎng)以及反射帶的級(jí)次有關(guān)。λ0和nH/nL值越大，帶寬Δλ 越寬。對(duì)于四結(jié)太陽(yáng)電池IV 測(cè)試用的濾光片，考慮到截止波段非常寬，因此選擇的高折射率材料的折射率盡量大，低折射率材料的折射率盡量小。

從式(3)可以看出，理論上只要不斷增加膜層，反射率會(huì)無(wú)限接近100%。但是由于薄膜存在著吸收等原因，達(dá)到一定層數(shù)后，隨著膜層的增加，反射率反而會(huì)降低。通常用消光系數(shù)k來(lái)表示薄膜的吸收損耗。因此除了對(duì)折射率的要求以外，選擇薄膜材料的原則總是使透過(guò)區(qū)域的透明度盡可能高，表現(xiàn)在材料參數(shù)上就是消光系數(shù)盡可能小。影響材料消光系數(shù)大小的因素很多，依據(jù)材料的結(jié)構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu)因?yàn)槲丈⑸漭^大，消光系數(shù)較大，無(wú)定形其次，單晶結(jié)構(gòu)最小。除此之外消光系數(shù)還與材料的折射率、化學(xué)計(jì)量的穩(wěn)定性以及雜質(zhì)有關(guān)。一般情況下，高折射率材料在可見(jiàn)光區(qū)域消光系數(shù)要大于低折射率材料，易分解的氧化物材料的消光系數(shù)要大于氟化物材料。

對(duì)于空間四結(jié)太陽(yáng)電池IV 測(cè)試用濾光片，其截止帶非常寬，整個(gè)膜系通常達(dá)到上百層甚至幾百層，厚度達(dá)到幾十微米。膜層過(guò)多時(shí)需要考慮膜層內(nèi)應(yīng)力對(duì)整個(gè)膜系的影響，應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致薄膜開(kāi)裂。因此盡量選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，最好高低折射率材料內(nèi)應(yīng)力性質(zhì)相反，一個(gè)張應(yīng)力，一個(gè)壓應(yīng)力，從而降低整個(gè)膜系的累積應(yīng)力。

綜合考慮各種因素與相互關(guān)系，在此高折射率材料選擇硫化鋅，低折射率材料選擇氟化鎂。ZnS 與MgF2材料的特性如表1 所示。

表1 ZnS、MgF2 薄膜材料特性[4]

2 濾光片的設(shè)計(jì)

目前晶格失配四結(jié)電池結(jié)構(gòu)為InGaP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.57Ga0.43As 太陽(yáng)電池，各材料對(duì)應(yīng)的禁帶寬度分別為1.9 eV/1.4 eV/1.0 eV/0.7 eV。對(duì)應(yīng)子電池的光譜響應(yīng)譜段分別為：300～650 nm/650～900 nm/900～1 240 nm/1 240～1 800 nm?？紤]到多結(jié)太陽(yáng)電池中，相鄰子電池光譜響應(yīng)范圍的部分波段相互交叉，設(shè)計(jì)的譜段范圍涵蓋子電池光譜響應(yīng)極值點(diǎn)的50%以上即可。

太陽(yáng)模擬器按照光源數(shù)量可以分為多光源和單光源兩種類型。對(duì)于單光源太陽(yáng)模擬器而言，調(diào)節(jié)光譜比較理想的方案是采用濾波片組，由一系列帶通濾光片和帶阻濾光片組成，通過(guò)帶通/帶阻濾光片增強(qiáng)/減弱相應(yīng)波段的光強(qiáng)。對(duì)于多光源太陽(yáng)模擬器，只需為通過(guò)每個(gè)光源配上對(duì)應(yīng)的帶通濾光片，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)光譜的燈的功率來(lái)進(jìn)行光譜調(diào)節(jié)。本文依據(jù)兩類模擬器可能用到的帶通或帶阻濾光片開(kāi)展設(shè)計(jì)，以豐富不同的光譜調(diào)整方案。

采用光學(xué)薄膜軟件Essential Macleod 進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)在太陽(yáng)模擬器中的實(shí)際工作情況，入射介質(zhì)為空氣，入射角為0°。輸入初始膜系表達(dá)式和優(yōu)化目標(biāo)，采用共軛梯度算法(conjugate gradient，CG)，對(duì)各層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 0.7 eV 子電池譜段調(diào)整用帶通濾光片設(shè)計(jì)

0.7 eV 子電池對(duì)應(yīng)的是300～1 240 nm 為高反射帶，1 240～1 800 nm 為高透過(guò)帶的長(zhǎng)波通濾光片。長(zhǎng)波通濾光片的經(jīng)典膜系表達(dá)式為A/(0.5HL0.5H)^n/G，其中H代表光學(xué)厚度為1/4 λ0的高折射率材料，L代表光學(xué)厚度為1/4 λ0的低折射率材料，n代表循環(huán)迭代的次數(shù)，A代表入射介質(zhì)空氣，G代表基底材料玻璃。如上文所述，H為ZnS，L為MgF2。

因?yàn)榻刂棺V段的邊界為1 240 nm，首先取高反射區(qū)域的中心波長(zhǎng)λ0=1 045 nm，圖1 是n分別為5、10 和15 時(shí)膜堆的透過(guò)率曲線，為了獲得陡峭的膜系特性，選擇n=15。然而由圖可知，盡管在900～1 240 nm 具有較低的透過(guò)率，在400～900 nm 區(qū)間則透過(guò)率較高。因此需要繼續(xù)在原結(jié)構(gòu)上增加高反射帶增強(qiáng)400～900 nm 區(qū)間的反射。擴(kuò)展高反射區(qū)帶寬的一般方法是通過(guò)不同中心波長(zhǎng)的兩個(gè)對(duì)稱膜堆進(jìn)行疊加，膜系表達(dá)式為A/a(0.5HL0.5H)^n(0.5HL0.5H)^n/G，其中a為新增膜堆的中心波長(zhǎng)與原膜堆中心波長(zhǎng)的比值，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩個(gè)膜堆的高反射帶相接。

圖1 不同n 值下膜堆的透過(guò)率曲線

通過(guò)上述方法將高反射帶擴(kuò)展到300 nm，透過(guò)率曲線如圖2。

圖2 長(zhǎng)波通濾光片透過(guò)率曲線

盡管該方案可以實(shí)現(xiàn)1 240～1 800 nm 高透過(guò)率，300～1 240 nm 高反射率的目標(biāo)，但是在1 240～1 400 區(qū)間卻存在著很多波紋(干涉峰)，這些干涉峰使透過(guò)率下降，會(huì)嚴(yán)重影響濾光片的質(zhì)量。抑制波紋的一種常用方法是將整個(gè)膜堆看成具有等效折射率的單一材料，在膜堆的兩側(cè)分別加鍍一些薄層膜系，這些薄層起到減反射的作用，減少入射介質(zhì)與膜堆以及膜堆與基底之間的反射率。設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)(300～1 240 nm，透過(guò)率＜1%；1 240～1 800 nm，透過(guò)率＞95%)，通過(guò)共軛梯度算法優(yōu)化整個(gè)膜系厚度，透過(guò)率曲線如圖3，可以看到高透過(guò)帶的波紋得到很好的抑制。

圖3 優(yōu)化后長(zhǎng)波通濾光片透過(guò)率曲線

2.2 1.0 和1.4 eV 子電池譜段調(diào)整用帶通濾光片設(shè)計(jì)

1.0 eV 子電池對(duì)應(yīng)的是900～1 240 nm 為高透過(guò)帶，300～900 nm、1 240～1 800 nm 為高反射帶的帶通濾光片。帶通濾光片可以看成是一個(gè)長(zhǎng)波通膜堆和一個(gè)短波通膜堆疊加在一起組合而成[5]。

取中心波長(zhǎng)λ0=750 nm，使長(zhǎng)波通高反射帶的邊界點(diǎn)為900 nm，如圖4(a)所示。短波通濾光片的經(jīng)典膜系表達(dá)式為A/(0.5LH0.5L)^n/G，取中心波長(zhǎng)為1.96 λ0，使得高反射帶的邊界點(diǎn)為1 240 nm。

將長(zhǎng)波通和短波通膜堆相疊加并拓展高反射帶，并按上文的方法進(jìn)行優(yōu)化，得到透過(guò)率曲線如圖4(d)所示。

圖4 900～1 240 nm 帶通濾光片透過(guò)率

與1.0 eV 子電池對(duì)應(yīng)的帶通濾光片的設(shè)計(jì)相似，1.4 eV子電池對(duì)應(yīng)的是650～900 nm 為高透過(guò)帶，300～650 nm、900～1 800 nm 為高反射帶的帶通濾光片。取長(zhǎng)波通膜堆的中心波長(zhǎng)λ0=550 nm，使高反射帶的邊界點(diǎn)為650 nm，短波通膜堆的中心波長(zhǎng)取1.95 λ0，使高反射帶的邊界點(diǎn)為900 nm。按照上文的方法優(yōu)化后650～900 nm 帶通濾光片透過(guò)率曲線如圖5。

圖5 650～900 nm 帶通濾光片透過(guò)率

2.3 1.9 eV 子電池譜段調(diào)整用帶通濾光片設(shè)計(jì)

1.9 eV 子電池對(duì)應(yīng)的是300～650 nm 為高透過(guò)帶，650～1 800 nm 為高反射帶的短波通濾光片。這類濾光片設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是長(zhǎng)波段的高反射帶會(huì)在短波區(qū)域產(chǎn)生次級(jí)高反射帶，嚴(yán)重影響短波區(qū)域的透過(guò)率。

消除次級(jí)高反射帶的一種非常有效的方法是采用折射率漸變的非均勻?qū)樱苽涔に嚪浅＠щy。另一種是選擇折射率逐漸變化的多種材料組成的膜堆來(lái)簡(jiǎn)化，再通過(guò)軟件優(yōu)化計(jì)算，也能取得較好的消除效果。初始的膜堆表達(dá)式為(ABCDCBA)^n A。A、B、C、D代表的材料如表2，選擇材料時(shí)要充分考慮300 nm 短波附近的吸收情況，不能選用ZnS、TiO 等吸收系數(shù)大的材料。中心波長(zhǎng)λ0=450 nm，(ABCDCBA)^15A膜堆的透過(guò)率曲線如圖6 所示，次反射帶得到明顯抑制。因此，以此膜堆為基礎(chǔ)，令λ0=225 nm，1.9 eV 子電池譜段對(duì)應(yīng)的帶通濾光片優(yōu)化后的透過(guò)率曲線如圖6 所示。

表2 材料參數(shù)

圖6 300～650 nm 帶通濾光片

2.4 帶阻濾光片設(shè)計(jì)

帶阻濾光片主要是由各膜層厚度為1/4 λ0的膜堆形成高反射帶，其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是同時(shí)消除高反射帶兩側(cè)的波紋和次高反射帶。與帶通濾光片的設(shè)計(jì)相似，消除波紋的方法是基于等效折射率概念[6]，在主膜系的兩邊安置一個(gè)相同的減反射膜系以消除帶通內(nèi)的波紋。消除次高反射帶的方法是采用折射率依次變化的膜堆作為基礎(chǔ)膜堆進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)的帶阻濾光片的透過(guò)率曲線如圖7。

圖7 帶阻濾光片

3 討論

設(shè)計(jì)的最終目的是為了制備和應(yīng)用，其結(jié)果需要結(jié)合四結(jié)太陽(yáng)電池測(cè)試的實(shí)際需求，以及薄膜的制備工藝進(jìn)行討論。

四結(jié)太陽(yáng)電池測(cè)試用濾光片通常達(dá)到一百多層甚至幾百層，給薄膜制備帶來(lái)了很大的難度。在實(shí)際設(shè)計(jì)濾光片時(shí)，在滿足光譜調(diào)整要求的前提下，應(yīng)盡量放松濾光特性中上升、下降沿的要求，或者適當(dāng)降低阻帶的反射率和通帶的透過(guò)率，或適當(dāng)縮短設(shè)計(jì)的濾光片譜段。例如1.9 eV 頂電池，考慮到300～350 nm 的光譜響應(yīng)較低，也可以只針對(duì)350～1 800 nm 譜段進(jìn)行濾光片設(shè)計(jì)。

在實(shí)際鍍膜工藝中，膜系里的材料種類越多，越難保證每層薄膜的質(zhì)量和光學(xué)厚度。因?yàn)椴牧系某练e或生長(zhǎng)受基底的影響較大，不斷變換的膜層材料相當(dāng)于基底在不斷更替，這對(duì)需要精確控制厚度的薄膜沉積工藝帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇兩種薄膜材料。對(duì)于采用多種材料設(shè)計(jì)的膜系，可以采用等效折射率[7]的方法，替換成統(tǒng)一的高低兩種折射率材料。利用三層組合HLH 合成具有特定要求的折射率和相位厚度的膜層[8]。其缺點(diǎn)是不僅會(huì)增加膜層的數(shù)量，而且會(huì)有很多厚度非常薄，工藝難以控制的薄層。另一種方法是混合膜法，蒸鍍前將兩種材料按照一定的比例混合，可以獲得介于兩者之間任意折射率的材料，同時(shí)還能改善膜層的特性[9]。

厚度誤差是鍍膜工藝中不可避免的客觀存在，對(duì)整個(gè)膜系的質(zhì)量有非常大的影響。目前的工藝水平可以將每層誤差控制在1%～2%。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)膜系開(kāi)展誤差模擬分析，可以提前判斷設(shè)計(jì)的濾光片在加工后能否滿足要求。以650～900 nm 帶通濾光片為例，假設(shè)每層厚度存在1%的隨機(jī)誤差，隨機(jī)模擬10 次，其結(jié)果如圖8(a)所示。從圖中可以看出，10次模擬的濾光片特征曲線，坡度都非常陡峭，譜段偏移很小，通帶區(qū)間絕大部分波段的透過(guò)率達(dá)到了90%，滿足測(cè)試用濾光片的使用需求。當(dāng)誤差在2%時(shí)，透過(guò)率降低到了80%，濾光片制備后的使用效果會(huì)相對(duì)較差[圖8(b)]。

圖8 濾光片設(shè)計(jì)的誤差分析(10次模擬結(jié)果)

4 結(jié)論

基于光學(xué)薄膜理論，借助計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)計(jì)了針對(duì)四結(jié)太陽(yáng)電池IV 測(cè)試用濾光片。設(shè)計(jì)的濾光片包括帶通和帶阻兩種類型，其譜段與四個(gè)子電池的光譜響應(yīng)區(qū)間匹配。在太陽(yáng)模擬器光譜調(diào)整的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試的需要，選擇帶通/帶阻濾光片來(lái)增強(qiáng)/減弱對(duì)應(yīng)譜段的光強(qiáng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要結(jié)合實(shí)際工藝情況，包括鍍膜時(shí)間、材料復(fù)雜程度、膜厚控制精度等。當(dāng)各層膜的厚度誤差控制在1%以內(nèi)的時(shí)候，設(shè)計(jì)的濾光片滿足測(cè)試需求。