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光学表面微结构抗反射特性与优化设计研究

作　者: 马志博
导　师: 忽满利
学　校: 西北大学
专　业: 光学
关键词: 硅太阳能电池 表面反射率 亚波长光栅 等效介质理论
分类号: O43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


微结构化后的光学元件表面具有抗反射特性,这种特性在降低硅太阳能电池和光电探测器的表面反射损耗,提高光电转换效率方面具有重要的意义。微结构表面的减反特性与微结构参数有关,本文研究玻璃和晶体硅表面的微结构及其反射特性,采用等效介质理论分析计算了表面微结构的反射特性,对结构参数进行了优化设计。本文利用等效介质理论研究分析了玻璃表面上具备亚波长光栅形貌的微结构时的减反射特性,通过计算分别得出可见光波段,30度入射角范围内玻璃表面反射率小于1%的一维亚波长光栅结构和50度入射角范围内反射率小于1%的二维亚波长光栅结构,给出了结构参数；针对晶体硅表面,设计一种亚波长光栅与Si02相结合的组合式减反射结构,利用等效介质理论、薄膜光学原理和材料的色散理论,通过计算模拟得到,一维矩形亚波长光栅与Si02相结合,光栅蚀刻深度为0.055μm,占空比为0.55,Si02减反射膜的厚度为0.1 u m时,若入射角为零度,加权平均反射率为5.01%,入射角在0°到60°范围之间变化,在这一范围内的加权平均反射率约为6.25%；二维矩形亚波长光栅与Si02相结合,光栅层的蚀刻深度为0.055μm,占空比为0.3,Si02减反射膜的膜层厚度为0.098 u m时,如入射角为零,在硅的光谱响应范围内的加权平均反射率仅为2.02%,入射角在0°到60°范围之间变化,在这一范围内的加权平均反射率约为3%。本文设计的亚波长光栅减反射结构可以分别实现玻璃表面和晶体硅表面在大入射角范围、宽光谱波段内的低平均反射率,将使晶体硅光伏电池的表面反射损失大幅降低,有利于光电转换效率的提高。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-15
  1.1 表面微结构光学元件  7-9
    1.1.1 表面微结构光学元件的发展  7
    1.1.2 衍射型微结构光学元件的优点和应用  7-8
    1.1.3 具有亚波长结构的衍射型微结构光学元件  8-9
  1.2 具有减反效果的亚波长周期型光栅  9-11
    1.2.1 传统减反射方法  9-10
    1.2.2 亚波长减反射光栅的研究进展  10-11
  1.3 亚波长减反射光栅在太阳能光伏电池上的应用  11-13
    1.3.1 太阳能及光伏电池简介  11-12
    1.3.2 光伏电池表面亚波长减反射结构的研究进展  12-13
  1.4 本文主要研究内容  13-15
第二章 亚波长减反射光栅的理论分析方法  15-25
  2.1 严格耦合波理论  15-16
  2.2 模态理论  16-17
  2.3 等效介质理论  17-23
    2.3.1 亚波长光栅只存在零级衍射波的条件  17-18
    2.3.2 一维等效介质折射率的求解  18-22
    2.3.3 二维光栅的等效折射率  22-23
  2.4 亚波长光栅反射率的求解  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章 亚波长减反射光栅的优化设计与数值模拟  25-38
  3.1 一维周期型亚波长减反射光栅  25-33
    3.1.1 矩形光栅的等效折射率与占空比的关系  25-27
    3.1.2 一维矩形减反射光栅的反射率与蚀刻深度和占空比的关系  27-29
    3.1.3 四种不同基底材料的反射率的比较  29-31
    3.1.4 入射波长对一维亚波长减反射光栅性能的影响  31-32
    3.1.5 入射角度对一维亚波长减反射光栅性能的影响  32-33
  3.2 二维周期型光栅  33-36
    3.2.1 光栅的反射率与蚀刻深度、占空比的关系  34-35
    3.2.2 入射角度和入射波长对减反射光栅性能的影响  35-36
  3.3 本章小结  36-38
第四章 光伏电池的表面减反射结构设计  38-51
  4.1 硅的色散效应对反射率的影响  38-39
  4.2 硅表面减反射层的设计  39-50
    4.2.1 硅表面一维亚波长光栅的设计  40-42
    4.2.2 减反结构的优化设计  42-46
    4.2.3 入射角度的变化对反射率的影响  46-47
    4.2.4 关于二维光栅减反射结构的探讨  47-50
  4.3 本章小结  50-51
总结  51-53
参考文献  53-58
攻读硕士期间取得的科研成果  58-59
致谢  59

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学
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