三、一維光柵抗反射層設計 - 應用於砷化鎵太陽能電池之抗反射設計結構

我們設計的抗反射層則如 Fig3-1 所示，此設計分為兩部分，第一部份為在砷化鎵太陽能電池上面設計均質抗反射層、第二部份則是使用於第一部份獲得的均質反射層，

尋找上加的三角形光柵結構最佳化參數。本篇論文中的穿透率計算及探討若無特別說明入射波皆為 TE 極化波。

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3----1111 兩兩兩兩均質均質均質層均質層層抗反射層抗反射抗反射薄膜設計抗反射薄膜設計薄膜設計薄膜設計

在砷化鎵太陽能電池上兩層均質抗反射層，我們選用二氧化矽及二氧化鈦這兩種材料，為薄膜製程中相當常見的兩種材料，其中二氧化矽及二氧化鈦的折射係數波長為 0.6um 時分別為 1.54^[19]、2.49^[19]，兩材料折射係數隨波長變化關係如 Fig3-2(a)(b)所示。首先我們調變二氧化矽與二氧化鈦的厚度，計算出不同厚度下從波長 0.5 至 0.9um

Fig3-1 兩層均質抗反射層加上一維光柵的設計。

TiO

SiO

As Ga Al

₀_.₈ ₀_.₂

GaAs

對應穿透率頻譜，並且最後計算出平均穿透率。此平均穿透率計算不考慮太陽能能譜的加乘效應。二氧化矽與二氧化鈦的厚度改變範圍分別為 0~0.5um 與 0~0.4um，其模擬結果如 Fig3-3 所示。

Fig3-3 不同二氧化矽與二氧化鈦的厚度下的平均穿透率圖，其中平均穿透率的計算不考慮太陽能譜的加乘效應。其中兩黑線代表分別代表設計波長為 0.6um 的四分之ㄧ波長厚度的位置。

Fig3-2 (a)二氧化矽之折射係數圖(b)二氧化鈦之折射係數圖。

(a) (b)

由模擬結果可發現三個具有較高平均穿透率的紅色區塊，其中每一區塊最高的平均穿透率分別為 0.9935、0.9844 及 0.9765，如 fig3-3 所顯示。其中最高平均穿透率為 0.9935，此時二氧化矽與二氧化鈦的薄膜厚度分別為 0.0945um 與 0.0408um。其中，

Fig3-3 中兩條黑線分別代表設計波長為 0.6um 的四分之ㄧ波長厚度的位置，為四分之一波長薄膜設計。我們發現最高平均穿透率的薄膜厚度與二層四分之一波長薄膜厚度不同。Fig3-4 顯示於不同入射角度下的最佳化薄膜厚度穿透率頻譜。於垂直入射情況下，

此雙層均質層具有非常高且寬廣的穿透率頻譜。然而，隨著入射角度的上升，入射砷化鎵的穿透率頻譜就漸漸的減弱，在八十度入射時穿透率降到只剩 55%左右，顯示兩層均質抗反射的設計雖能達到寬頻譜的效果卻不能提供廣角的抗反射效果。

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

T ra n s m issi o n

λ (um)

Incident angle=0 Incident angle=40 Incident angle=60 Incident angle=80

Fig3-4 最佳化兩均質層厚度下的不同入射角之穿透頻譜。

另外一方面，我們選擇不同層數的均質抗反射層結構對穿透率的影響，其中不同層數的均質層抗反射薄膜的厚度決定與前述，尋找出最高的平均穿透率的方法相同，各結構及所獲得各層厚度如 Fig3-5 所示。三個層數的抗反射薄膜之平均穿射率對入射角度的變化圖，如 Fig3-6 所示。在垂直入射時，均質層薄膜設計皆可提供相當高的穿透率，

而單層的抗反射層設計因為不能提供較為寬廣的頻譜，所以具有最低的平均穿透率，如 Fig3-7(a)所示。隨入射角度的上升，平均穿透率隨之下降，八十度入射時，三個層數的薄膜設計的平均穿透率都下降至 55%左右，從 Fig3-7(b)八十度入射的穿透率頻譜也可看出三個層數的薄膜設計，較垂直入射穿透率值下降許多。

Fig3-5 不同層數的均質層抗反射結構。(a)為一層二氧化矽抗反射結構，(b)為三層抗反射結構，使用二氟化鎂、二氧化矽與二氧化鈦為材料。

(a)

(b)

SiO

2 ^0.098um

TiO

SiO

2 ^0.001um

0.066um 0.122um

MgF

GaAs

Fig3-6 ㄧ層、兩層與三層抗反射層設計，平均穿透率 (Tsolar)對入射角度的變化圖。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

A v er ag e tr ans m is s ion

Incident angle

1layer without grating 2layers without grating 3layers without grating

Fig3-7 不同層數的均質抗反射層穿透率頻譜。(a)垂直入射時(b)八十度入射時。

(a) (b)

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.8 0.9 1.0

Transmission

λ(um)

1layer without grating 2layer without grating 3layer without grating

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Transmission

λ(um)

1layer without grating 2layer without grating 3layer without grating

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3----2 2 2 2 一維光柵參數一維光柵參數一維光柵參數一維光柵參數最佳化最佳化最佳化最佳化

上一節我們利用二氧化鈦與二氧化矽設計出兩層均質抗反射層，其具有高穿透率且寬廣頻譜的抗反射效果。但是在大角度入射下的穿透率頻譜表現較差，所以我們在均質層上面設計三角形光柵來提升大角度入射下的穿透率頻譜。其光柵結構如 Fig3-8 所示。

其中光柵高度為 H、光柵週期為 P，三角形光柵寬度為 w 與光柵填充率 f 的定義為 w/P。

光柵高度 H、光柵週期 P、光柵填充率 f 三參數由 Fig3-9 所示之最佳化流程來獲得。

首先，假設光柵參數分別為光柵週期 P=0.5um、光柵高度 H=0.5um 及光柵填充率 f=0.2 作為輸入，接下來分別調變其中一個光柵參數，固定其餘兩個參數，來尋找最佳化光柵參數。我們先固定光柵高度 H=H1 與光柵填充率 f=f1，最佳化光柵週期 P 從 0.4~0.8um，

比較位於入射角為 0 及 80 度 Tsolar 值，找出最大值之 Tsolar 時的 P 值為此步驟最佳光柵週期參數為 P2。下一步則將上一步最佳化光柵週期的結果帶入，固定光柵週期 P=P2

Fig3-8 ㄧ維光柵抗反射設計圖。

GaAs

TiO

SiO

0.0945um 0.0408um

w Filling factor=f=w/P

As Ga Al₀_.₈ ₀_.₂

光柵填充率 f=f1，最佳化光柵高度 H 從 0.3~0.7um，比較位於入射角為 0 及 80 度 Tsolar 值，找出最大值之 Tsolar 時的 H 值，此為最佳光柵高度參數 H2。將最佳化獲得的光柵週期 P2 與光柵高度 H2 代入，最佳化第三個參數光柵填充率 f 從 0.1~1，找出入射角度為 0 及 80 度之最高 Tsolar 值，此時的 f 值為此步驟之最佳光柵填充率參數 f2，到此步驟我們獲得新的光柵參數 P2、H2 及 f2。若最佳化步驟下所獲得的光柵參數(P2,H2,f2) 與輸入的光柵參數(P1,H1,f1)不相同時，代表此組光柵參數還不是該範圍中的最佳值，

則重回最佳化光柵參數步驟。並且將新的光柵參數(P2,H2,f2)指定為初始光柵參數。重覆最佳化光柵參數步驟，直到輸出的光柵參數與輸入的光柵參數相同，則代表此組光柵參數為此模擬範圍中的最佳值。

Fix grating height=h1 & filling factor=f1 Optimization grating period => grating period=p2

Fix grating period=p2 & filling factor=f1 Optimization grating height => grating height=h2

Fix grating period=p2 & height=h2 Optimization filling factor => filling factor=f2

p1=p2 h1=h2 f1=f2

End :Optimum parameter of grating True

p1=p2 H1=h2 f1=f2

False

Fig3-9 最佳化光柵參數流程圖。

Filling factor=0.2 Grating height=0.5um Grating period=0.5um

以下為最佳化光柵參數步驟的計算結果，Fig3-10 為固定光柵高度 H=0.6um 及光柵填充率 f=0.125 時，平均穿透率(Tsolar)隨光柵週期的變化圖，光柵週期從 0.4 變化至 0.8um，其中黑線為垂直入射之平均穿透率，紅線則為八十度入射角時的平均穿透率值。

Fig3-10 平均穿透率(Tsolar)隨光柵週期變化圖。固定光柵高度 H=0.6um 與光柵填充率 f=0.125，其中黑線代表垂直

T

solar

在文檔中應用於砷化鎵太陽能電池之抗反射設計結構 (頁 31-39)