第18屆三軍官校基礎學術研討會 高雄，中華民國100年5月27日 Kaohsiung, May 2011
Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw
太陽能電池之抗反射膜優化設計
陳建良, 陳義軒, 林家豪, 吳東穎, 徐富興, *葉倍宏
崑山科技大學光電系
通信作者. Email:yehcai@mail.ksu.edu.tw, TEL:(06)2050521ext.2565
摘要:本論文以自行研發的光學薄膜模擬自由軟體 來模擬太陽能電池的抗反射膜優化設計。此研究 中使用SiO和TiO2兩種低、高折射率材料，波長 範圍0.38μm到1.2μm，以傳統尋找全區域平均反 射率值最低的方式，將膜厚從0到0.5設計波長均 分為100等份，模擬結果顯示，ㄧ層的抗反射膜設 計為Air|0.2828L|矽基板，全區域平均反射率值 8.01% ， 二 層 的 抗 反 射 膜 設 計 為 Air|0.2475L 0.2273H|矽基板，全區域平均反射率值4.595%，
三層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設 計的現象。
關鍵字: 太陽能電池，抗反射膜，優化設計
1. 簡介
太陽能電池元件表面的反射率大小是決定轉 換效率的重要關鍵，因此，必須利用抗反射膜來 增加入射光在太陽能電池表面的穿透率，進而使 轉換效率提升。如果沒有安排抗反射膜設計，以 矽基板為例，入射光會有約30%的反射損失。
近年來太陽能電池抗反射膜優化設計已逐漸 被發展，例如國內的研究成果，使用Film Star光 學薄膜模擬軟體，模擬Si3N4單層抗反射膜，針對 設計波長580nm，掃描300nm~900nm波長範圍，模 擬結果反射率都在20%以下；模擬雙層抗反射膜 (Ti2O2/Al2O3) ， 針 對 設 計 波 長 420nm ， 掃 描 300nm~900nm波長範圍，模擬結果反射率都在10%
以下；模擬雙層抗反射膜(Ti2O2/SiO2)，針對設計 波長420nm，掃描300nm~900nm波長，模擬結果反 射率都在10%以下[1]。在崑山科大的研究中，採用 真空濺鍍機來鍍製複合層之二氧化矽與氮化矽奈 米薄膜，藉由調控氮氣及氧氣的比例，在基材上 形成多層結構之二氧化矽與氮化矽之抗反射層薄 膜，使用的靶材為P型矽靶，純度為99.999%。在 雙 層 膜 設 計 搭 配 上 ， 促 使 吸 收 光 譜 介 於 380nm~1200nm間，可見光波段(380nm~780nm)平均 穿透率達93%[2]。在台灣大學的研究中，藉由改變 2 層 材 料 折 射 率 ， 第 1 層 折 射 率 2.03 ， 厚 度 45.5nm，第2層折射率1.46，厚度51.5nm，求出最 佳的平均反射率為4.46[3]。
在國外的研究方面，例如使用ZnS/MgF2，模 擬單層、雙層、叁層抗反射膜與角移效應，針 對，掃描300nm~1500nm波長範圍，模擬結果顯示 單層抗反射膜設計效果最差，雙層抗反射膜在
450nm~1500nm波段範圍反射率10%以下，角移效應 則不論雙層或叁層抗反射膜設計，在入射角65度 以下仍有不錯的抗反射效果[4]。
2. 模擬步驟
抗反射膜主要目的在降低反射率，然而在傳 統的分析方法只能求得局部極值，對實際的應用 幫助不大，為了彌補這種缺點，建立光學薄膜系 統自動設計程式是必需的。針對抗反射膜在幾乎 某一光譜範圍內要求低反射率，可以將優化函數 簡單定義為
F(θi，n，d，λ)=ΣR
上式中θi為入射角，n為折射率，d為幾何膜厚，
λ為波長，R為反射率，只要優化函數在波段範 圍內的平均反射率最小，即得最佳的抗反射膜設 計，根據這樣的概念，修改光學薄膜特徵矩陣程 式就不難建立薄膜自動設計程式[5]。以自動設計 程式分別測試單層及多層抗反射膜之前，假設所 有抗反射膜滿足下列各狀況：
1. 入射角θi=0
2. 光譜範圍0.38μm～1.2μm，並區分成100個 搜尋累計波段
3. 各膜層不考慮色散與吸收，折射率固定，其 中空氣n0=1，矽基板ns=3.4，低折射率材料 SiO，高折射率材料TiO2
4. 設計參考波長λ0 =0.6μm
5. 光學厚度nd為唯一的設計變數，其搜尋範圍 從0λ0到0.5λ0
3.結果與討論
太陽光譜中涵蓋範圍很廣，輻射能量主要集 中在可見光區，其次是近紅外光區與10μm附近 的遠紅外光區，以及最少部分的紫外光區。雖然 現 在 只 針 對 可 見 光 波 段 與 近 紅 外 光 區 -380nm
~1200nm波段做設計，但日後模擬會延伸至紫外 光，甚至包含10μm附近遠紅外光區的所謂雙波 段區域抗反射膜設計，因此，選用材料以能涵蓋 太陽光譜者為優先考慮。
模擬單層抗反射膜優化設計，以SiO當作材 料，其折射率是1.8，矽Si基板折射率為3.4；由模 擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2828，其 反射率光譜圖與角移效應分別如圖一、圖二所 示。圖二所顯示的角度有0度、30度、60度，對應 的平均反射率依序為8%、9.742%、21.442%。
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圖一 單層抗反射膜優化設計
圖二 單層抗反射膜優化設計的角移效應
雙層抗反射膜優化設計，以SiO/ TiO2為材 料，折射率分別為1.8與2.35，同樣矽Si為基板；
由模擬結果可知，最佳的光學薄膜厚度為0.2475 /0.2273，其反射率光譜圖與角移效應分別如圖 三、圖四所示。圖四所顯示的角度與圖二相同，
對應的平均反射率依序為4.595%、6.438%、
19.142%。
圖三 雙層抗反射膜優化設計
圖四 雙層抗反射膜優化設計的角移效應
4.結論
本論文使用SiO和TiO2兩種低、高折射率材 料，波長範圍0.38μm到1.2μm，以傳統尋找全區 域平均反射率值最低的方式，將膜厚從0到0.5設 計波長均分為100等份，模擬結果顯示，ㄧ層的抗 反射膜設計為Air|0.2828L|矽基板，全區域平均 反 射 率 值 8.01% ， 二 層 的 抗 反 射 膜 設 計 為 Air|0.2475L 0.2273H|矽基板，全區域平均反射 率值4.595%，三層抗反射膜設計，則有簡併為雙 層抗反射膜設計的現象。
REFERENCES
[1] 鄭竣謙，《雙層抗反射膜覆蓋三接面三一五 族太陽電池之研究》,中原大學，碩士論文 民國九十五年六月
[2] 林松荺，《抗反射膜於矽基薄膜太陽能電池 之光學性質研究》，崑山科技大學，民國九十 七年七月
[3] 葉致仰，《寬波段廣角度抗反射膜設計之研 究》，國立台灣大學電機資訊學院光電系工程 學研究所，碩士論文，民國九十七年七月
第18屆三軍官校基礎學術研討會 高雄，中華民國100年5月27日 Kaohsiung, May 2011
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[4] Sung-Mok Jungb, Young-Hwan Kim, Seong-Il Kim,Sang-Im Yoo, 《Design and fabrication of multi-layer antireflection coating for III-V solar cell》 , Current Applied Physics, vol. 1, pp. 538- 541, 2011.
[5] 李正中，《薄膜光學與鍍膜技術》，(藝軒圖書) [6] 葉倍宏，《薄膜光學-電腦輔助模擬與設計》， （台灣復文圖書）
