反射鏡

為了降低太陽能電池的成本，矽薄膜太陽能電池被熱烈研究與發展，希望能夠減少 吸收層的厚度，並且有效利用入射光子的能量，以達到最大的轉換效率。然而當入射光 進入吸收層之後，部分光子能量尚未完全被轉換為電能，因此將光限制在電池內部的「光 捕捉機制」就變得十分的重要。光捕捉機制一般是利用反射鏡將穿透矽吸收層的太陽入 射光反射回去，進行二次吸收。除了薄膜太陽能電池外，像是三節電池(triple-junction cells) 或是中間能帶太陽能電池(intermediate-band solar cells, IBSC)，因為第二晶圓或是額外的 中間狀態的聯合效應，都會造成寬吸收坡長，波段大約在 400-1000nm[16-18]，非常需 要寬反射率能帶的反射鏡來搭配應用。

2.2.1 金屬反射鏡(Metal Reflector)

太陽能電池發展至今，最常被拿來使用的反射鏡就是金屬鏡，利用金屬具有高反射

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極振盪，稱之「表面電漿震盪」，這是因為金屬內具有自由電子可以任意移動，而這種 激發貴金屬材料表面而形成的自由電子密度集體震盪波，會以表面波形式沿著金屬介面 傳播，影響元件的特性。

圖 14 常用金屬膜，在不同入射波長下的反射率，θo= 0^o。

2004 年 J.Springer 團 隊 比 較 不 同 粗 糙 度 的 銀 [33] ， 主 要 量 測 金 屬 吸 收 損 失 (total absorption loss)的比例，討論吸光程度的不同，如圖15，在量測時銀會與介電質接觸，

並發現當介電質折射係數越大，吸收率的峰值便會往長波長的方向移動，是因為表面電 漿子(surface plasma)共振會隨著介電質折射係數變大，而往長波長移動。2011年，Hung-Yu Lin團隊，針對銀背反射器的太陽能電池進行表面電漿的研究，其結構分為一維週期性 奈米牆和二維奈米柱，拱型圓頂的非晶矽太陽能電池做成光柵，在矽吸收層上方沉積ITO，

如圖 16所示。發現非晶矽在短波常範圍內具有高吸收率，其吸收率的增加和頻率相關 性較微弱，因為反射率的寬頻效果是通過表面表面奈米結構的光柵產生。而在長波常範 圍時吸收率會減少，其吸收提升率對於頻率非常敏感，這是因為Fabry-Perot共振以及表 面電漿子相互作用的關係。表面電漿子相互作用包含表面電漿極化現象及局部區域表面 電漿[36]。在2013年，Albert Lin發現，金屬吸收性一般會優於表面電漿子輻射，平面的 金屬半導體界面，讓金屬吸收散失率變得很小，也同時能得到較高的積分吸收度。證實 表面紋路在介電質隔離層上的效果，比紋路出現在金屬上的效果來的更好，較適合太陽 能電池，設計上是能夠使電池吸收增強的結構[34]，尤其是銀反射器能夠表現出優異的 電與光學性能，然而，在表面有紋路的情況下，他們會有表面電漿吸收的效應，可能會 降低反射率特性。除此之外，金屬背反射器也有其他缺點，像是需要相對較高的成本，

如果沒有密封好，接觸的材料對於環境中的水分的敏感度很高，因此產生出替代品─油 漆介電反射鏡[35]

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圖 15 不同粗糙程度的銀，在不同波長下金屬吸收率。

圖 16 (a)背反射器的太陽能電池進結構示意圖，分為(b)一維週期性奈米牆和(c)二維 奈米柱，拱型圓頂的非晶矽太陽能電池做成光柵，在矽吸收層上方沉積 ITO

2.2.2 介電反射鏡(Dielectric Reflector)

最先設計給太陽能電池的介電質反射器，主要因為頻寬而被限制[14, 15]，傳統上最 常見的介電反射鏡是布拉格繞射鏡(Distributed Bragg Reflector, DBR)，然而，布拉格繞 射鏡通常無法提供充足的反射頻寬給太陽能光電系統應用[16-18, 36]。

在2007年，Olaf Berger團隊[37]，將油漆作為色素漫反射器應用在矽薄膜太陽能電 池上，其中的色素被定義為圓形球體，如圖17，並利用實驗證實出油漆相較於鋁、空氣 或是TCO/Al的堆疊，更能夠提升短路電流。2010年，Benjamin Lipovšek進一步針對油漆 反射器進行研究[13]，模擬其光學特性，由於油漆的內容物是二氧化鈦奈米粒子，鑲嵌 在低折射率為主的材料中，因此作者用一維系統的隨機近似法，利用半相干涉光學模型 進行模擬，如圖18，並搭配實驗結果輔助，證實出油漆的高反射率能提高太陽能光電系 統，而且油漆屬於介電反射鏡的一種，具有許多優點，像是成本低、能使用低溫製程、

高產出，而且沒有電漿吸收造成的損失。

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圖 17 油漆漫反射器對玻璃與薄膜矽太陽能電池的操作原理，漫反射器中包括懸浮中的 顏料

圖 18(a)真實的油漆在三維中的光散射 (b)近似於一維光學模型