劉孝麗，周翼釩，周利成，張 桐，張曉宇

(1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2.重慶文理學(xué)院 重慶市高校新型儲(chǔ)能器件及應(yīng)用工程研究中心，重慶 402160)

圖1 硅基太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖

圖2 硅基太陽(yáng)能電池表面空氣球形結(jié)構(gòu)圖

本文建立了不同空氣球形抗反射結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算了不同空氣球型尺寸、光入射角、球形結(jié)構(gòu)分布對(duì)光透率大小，探究空氣球形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反射效果的影響規(guī)律及其抗反射的機(jī)理，為提高光學(xué)薄膜的抗反射性能提供理論積累，為其下一步國(guó)產(chǎn)化、工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 入射角度不敏感機(jī)理

傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜器件在大角度入射下，中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移，發(fā)生器件的探測(cè)精度降低、產(chǎn)生噪音等不良影響[6]，為了減少由入射角度變化而引起的以上不良影響，各種新型光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿(mǎn)足以下要求：(1)對(duì)入射角的變化不敏感(可以消除大的入射角下會(huì)發(fā)生偏移、色差)；(2)抗反射薄膜的傳統(tǒng)光學(xué)性能不衰減。

空氣球形亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜由于其結(jié)構(gòu)特性和良好的光學(xué)作用機(jī)理，完全滿(mǎn)足上述要求。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，圖3(a)為所研究結(jié)構(gòu)的側(cè)面截面圖。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)劃分微元，考慮入射波的波長(zhǎng)，在劃分側(cè)面輪廓時(shí)每一部分應(yīng)盡量薄。然后將劃分的每一個(gè)薄塊等效為矩形條狀塊，寬度等于各自層的平均寬度如圖3(b)所示。最后將一定寬度的矩形條塊簡(jiǎn)化為一定有效折射率的一層薄膜如圖3(c)所示。

圖3 空氣球形亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜簡(jiǎn)化圖

由于反射是當(dāng)光入射在不同折射率邊界的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)?shù)刃д凵渎蔬B續(xù)改變，這種結(jié)構(gòu)在工作中的抗反射機(jī)理與等效折射率就如同多層介質(zhì)薄膜一樣。使用每一部分不同的占空比參數(shù)代入勞倫茲-洛倫茲公式后(1)[7]，可以計(jì)算有效折射率。勞倫茲-洛倫茲公式如下：

(1)

式中：neff為等效折射率，ff為占空比，折射率nsub為1.5。

表1為將直錐體側(cè)面細(xì)化劃分為10微元，計(jì)算每一微元薄片占空比和等效折射率后，得到各個(gè)邊界處的菲涅耳反射率(基底介質(zhì)的折射率為1.5，且光在正入射角情況下)。此處為簡(jiǎn)化的側(cè)面輪廓?jiǎng)澐?如圖3)，每一薄層厚度約10 nm左右。

表1為將直錐體側(cè)面細(xì)化劃分為10微元，計(jì)算每一微元薄片占空比和等效折射率后，得到各個(gè)邊界處的菲涅耳反射率(基底介質(zhì)的折射率為1.5，且光在正入射角情況下)。此處為簡(jiǎn)化的側(cè)面輪廓?jiǎng)澐?如圖3)，每一薄層厚度約10 nm左右。

針對(duì)以上在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，企業(yè)人力資源管理工作所面臨的挑戰(zhàn)，以及一些不足，做出改正和完善。就此，本段以下均是針對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代下企業(yè)人力資源管理工作的改進(jìn)策略，從更新企業(yè)人力資源管理觀(guān)念、健全并建立大數(shù)據(jù)時(shí)代下的人力資源管理體系，以及適當(dāng)增加人才激勵(lì)政策三個(gè)方面，進(jìn)行了具體地分析研討，希望能夠給相關(guān)人員的研究做出一份貢獻(xiàn)。

表1 每一薄片占空比和等效折射率及每個(gè)邊界處的菲涅爾反射率

由表1可知，結(jié)構(gòu)由上至下，微元薄塊的占空比由0 %(空氣)逐漸變至100 %(基底)、有效折射率由1逐漸轉(zhuǎn)變到1.5時(shí)，相鄰薄膜介質(zhì)折射率變化很小，所以邊界處菲涅耳反射率也較小。

空氣球形亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)反射反射機(jī)制如下：在每一個(gè)微元薄塊邊界處，通過(guò)11個(gè)小的反射波相位振幅變化，當(dāng)相位差達(dá)到一個(gè)完整周期360°，反射波干涉能量將會(huì)減小到接近沒(méi)有，甚至側(cè)面輪廓高度增加到更高以后相位轉(zhuǎn)變超過(guò)360°，干涉后的反射波能量實(shí)際上不再增加。因此鍍有空氣球形結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)光學(xué)薄膜對(duì)于入射角變化不敏感，可以消除大的入射角下發(fā)生的偏移、色差等。

2 FDTD 模型與參數(shù)

2.1 模型的建立

空氣球形結(jié)構(gòu)主要是在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上形成的一層包含不同比例二氧化硅與空氣的球狀膜包，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)上層膜為空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜(SiO2膜)，折射率n=1.52，空氣介質(zhì)折射率n1=1。其光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。入射光線(xiàn)進(jìn)入Si襯底有兩條路徑，光線(xiàn)1通過(guò)空氣球形氣泡進(jìn)入襯底，或光線(xiàn)1透過(guò)二氧化硅薄膜進(jìn)入下層光學(xué)器件。設(shè)定空氣球形結(jié)構(gòu)在三維空間呈周期性分布，相鄰氣泡之間距離以及氣泡直徑分別用a、b來(lái)表示，衍射角用θ表示，定義占空比f(wàn)=b/a。建立有限元模型如圖6、圖7所示，網(wǎng)格劃分采用均勻網(wǎng)格。圖6中模型主要是用于一般反射率模擬，圖7中模型主要用于角度不敏感性模擬。

圖4 空氣球形鍍膜與硅基板結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 空氣球形減反膜光路示意圖

圖6 空氣球形結(jié)構(gòu)與二氧化硅基板有限元模型

圖7 空氣球型結(jié)構(gòu)三維有限元實(shí)物模型

2.2參數(shù)的確定

利用干涉原理來(lái)確定空氣球形氣泡的直徑：當(dāng)一束光入射到太陽(yáng)能電池表面時(shí)，在空氣球形結(jié)構(gòu)表面上反射的光，與在玻璃基底表面反射的光，需滿(mǎn)足干涉相消的條件以減少入射光的反射。即當(dāng)光程差達(dá)到2dn=(2k+1)λ/2時(shí)，兩束光相干相消減反射效果最佳。在A(yíng)m1.5的太陽(yáng)能光譜中，類(lèi)中心波長(zhǎng)λ=550 nm，當(dāng)k=0時(shí)n=1.52，求得空氣結(jié)構(gòu)薄膜厚度d=111.78 nm，此時(shí)表面的減反射特性最佳。對(duì)于某一特定波長(zhǎng)的光，如需將反射減小到零，那么應(yīng)該滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件。一是振幅的條件，即反射光1的振幅和反射光2的振幅相等。二是減反膜厚度為d=λ/4n(不詳細(xì)討論),于是可以得到方程(2)：

(2)

其中：n0是大氣的折射率；n1是抗反射涂層的折射率；n2是硅的折射率。求解解方程(2)，可以得到抗反射涂層的折射率需滿(mǎn)足關(guān)系式(3)：

(3)

求解方程(3)得到n1=1.23，對(duì)應(yīng)占空比f(wàn)=b/a=50.5%。

利用衍射原理來(lái)確定光柵周期a，利用空氣球形納米結(jié)構(gòu)衍射原理簡(jiǎn)化認(rèn)為入射光在納米氣泡結(jié)構(gòu)中不會(huì)發(fā)生衍射的現(xiàn)象。當(dāng)垂直入射的光波沿著光線(xiàn)1路徑入射硅片表面，此時(shí)衍射造成的光程差滿(mǎn)足(4)：

a(nssinθm+nisinθi)=mλ

(4)

(5)

對(duì)第1級(jí)的衍射來(lái)說(shuō)，衍射角的最大值為90°，波長(zhǎng)為550 nm，計(jì)算可得空氣球形結(jié)構(gòu)周期為a=218.25 nm.其他情況下，衍射角都將小于90°，故空氣球形膜納米周期值應(yīng)比218.25 nm大。利用占空比計(jì)算得出氣泡直徑為108.168 nm。

當(dāng)光柵的結(jié)構(gòu)尺寸在波長(zhǎng)甚至是亞波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)，光的衍射現(xiàn)象逐漸消失，研究這種結(jié)構(gòu)中光的傳播特性時(shí)，還需要利用光學(xué)電磁理論進(jìn)行分析。首先對(duì)目標(biāo)建立求解麥克斯韋方程組，通過(guò)求解電場(chǎng)分布來(lái)獲得光柵的衍射特性等光學(xué)信息。然后利用時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)通過(guò)對(duì)麥克斯韋方程作差分處理，來(lái)解決電磁波在電磁介質(zhì)中傳播和場(chǎng)分布問(wèn)題[8]。將Maxwell方程在時(shí)間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分化，可用來(lái)計(jì)算任意形狀亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)隨時(shí)間步進(jìn)的演變過(guò)程，將復(fù)雜的物理過(guò)程用清晰的、直觀(guān)的物理圖表描繪出來(lái)，便于分析和設(shè)計(jì)。本課題利用FDTD模擬研究亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的傳輸特性，調(diào)整不同的空氣直徑、不同的氣泡分布周期參數(shù)，研究透射效率和與這些參數(shù)之間的關(guān)系。探究亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜器件薄膜厚度、周期、占空比等參數(shù)對(duì)透射特性的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析與討論

3.1普通光學(xué)薄膜(SiO2)入射角度敏感性

在日常使用中，光源可能會(huì)有一定的入射角度進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)中。使用FDTD軟件在0°、10°、20°、30°時(shí)計(jì)算普通光學(xué)薄膜的透過(guò)率曲線(xiàn)如圖8所示。從曲線(xiàn)中可以明顯看到傳統(tǒng)光學(xué)薄膜的最大透過(guò)率中心波段，通常都會(huì)出現(xiàn)隨著入射角的增大而向短波方向漂移的這一特殊現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)薄膜的光學(xué)器件有其固有的缺陷，使得在大入射角下存在光譜發(fā)生位置偏移、眩光、色差等，影響了成像質(zhì)量。

圖8 不同入射角下普通光學(xué)薄膜全光譜透過(guò)率曲線(xiàn)

3.2 單層氣泡空氣膜減少光反射的研究

采用了FDTD計(jì)算了空氣球形薄膜結(jié)構(gòu)在不同球間距下的反射率，結(jié)果如圖9所示。圖中可以看出在中心波長(zhǎng)450 nm處，相較于沒(méi)有亞波長(zhǎng)空氣結(jié)構(gòu)，不同球間距下的反射率都有所降低。與通過(guò)光的相消干涉方法的計(jì)算較為吻合。本文針對(duì)450 nm到550 nm之間的波段，選取空氣球形結(jié)構(gòu)的周期設(shè)計(jì)為108 nm進(jìn)行抗反射效果模擬。

圖9 0 nm、108 nm、216 nm、324 nm間距與無(wú)氣泡仿真結(jié)構(gòu)反射率

利用控制變量法，保持空氣球形結(jié)構(gòu)的周期(108 nm)不變，令氣泡半徑從一定范圍尺寸內(nèi)以具體尺寸(比如50 nm)為間距變化。某一波段光照射時(shí)，觀(guān)測(cè)有無(wú)空氣球形結(jié)構(gòu)反射率情況，確定較為理想的入射增強(qiáng)效果時(shí)的空氣球形結(jié)構(gòu)的氣泡直徑，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知當(dāng)球直徑50 nm與球直徑100 nm對(duì)應(yīng)的反射率在中心波長(zhǎng)450 nm處的反射率降低且100 nm球直徑相較于50 nm整體反射率降低，由以上模擬可以得出抗反射效果最好的單層氣泡球形結(jié)構(gòu)的周期與氣泡直接分別為108 nm與100 nm附近。

圖10 100nm、50nm、150nm、200nm氣泡直徑反射率對(duì)比圖

3.3 單層空氣球形結(jié)構(gòu)角度不敏感性

圖11為單層氣泡透過(guò)率隨入射角度變化的計(jì)算結(jié)果。由圖11可知，單層周期性空氣球型結(jié)構(gòu)在特定光譜內(nèi)，抗反射率曲線(xiàn)在不同角度下波動(dòng)較小，明顯優(yōu)于未加入氣泡的純玻璃(如圖8)。隨著入射角度的增加透過(guò)率雖有一定降低，但并未如圖8中表現(xiàn)明顯(圖8中在某些波段出現(xiàn)了明顯的透過(guò)率急速衰減的區(qū)域)。故單層空氣球形結(jié)構(gòu)對(duì)入射角度有一定的不敏感性。鑒于單層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜只對(duì)窄的波段起到減少反射率的作用，這種對(duì)角度的不敏感性還有進(jìn)一步提升的空間。

圖11 單層氣泡透過(guò)率隨入射角度變化圖

3.4 雙層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜抗反射研究

為了在較長(zhǎng)波段內(nèi)空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜都能有非常明顯抗反射效果，可以將不同密度空氣球形氣泡設(shè)計(jì)成雙層空氣球型結(jié)構(gòu)薄膜。利用干涉原理來(lái)確定空氣球形氣泡的直徑,當(dāng)一束光入射到太陽(yáng)能電池表面時(shí)，在空氣球形結(jié)構(gòu)表面上反射的光與在玻璃基底表面反射的光要達(dá)到干涉相消以減少入射光的反射，即當(dāng)光程差達(dá)到2dn1=(2k+1)λ/2時(shí)，減反射效果最佳.在A(yíng)m1.5條件的太陽(yáng)能光譜中，類(lèi)中心波長(zhǎng)λ=550 nm，當(dāng)k= 0時(shí)，求得空氣氣泡直徑d =137.5 nm時(shí)，可獲得最佳表面減反射特性。根據(jù)之前的討論，為取得較好的抗反射效果，選取雙層空氣球形結(jié)構(gòu)的最上層氣泡直徑為108 nm，第二層空氣球形直徑為137.5 nm。圖12為不同波段下，單層雙層起泡反射率對(duì)比圖。由圖12可知，單層、雙層起泡薄膜結(jié)構(gòu)的反射率在全波段內(nèi)均低于0.1，都具備較好的抗反射效果。在446 nm～529 nm波段內(nèi)，雙層球形結(jié)構(gòu)薄膜的反射率低于0.04抗反射效果明顯優(yōu)于單層球形結(jié)構(gòu)薄膜的抗反射效果。

圖12 單層、雙層氣泡反射率對(duì)比圖

3.5 雙層空氣球形結(jié)構(gòu)角度不敏感性

圖13 不同入射角度對(duì)器件透射率的影響

如圖13，對(duì)空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜施加不同入射角度的光源，觀(guān)察其在446 nm到592 nm研究波段內(nèi)的透過(guò)率曲線(xiàn)。發(fā)現(xiàn)采用雙層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜的太陽(yáng)能器件并未發(fā)生透過(guò)率的明顯下降，說(shuō)明入角度的不敏感性。由此認(rèn)為在整個(gè)可見(jiàn)光波段，以利用多層空氣球形結(jié)構(gòu)薄膜提高太陽(yáng)能光伏器件的吸收率。

4 結(jié)論

本文利用空氣球形亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)降低普通光學(xué)玻璃的反射率。先利用理論計(jì)算分析反射球形氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)反射性能的影響，再利用軟件的仿真加以對(duì)比驗(yàn)證。本文主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)普通光學(xué)薄膜在照射光大角度入射下，中心波長(zhǎng)會(huì)隨著角度的增加像短波方向平移，且反射率會(huì)增大等缺點(diǎn)，首先根據(jù)相消干涉的原理設(shè)計(jì)了單層空氣球形膜結(jié)構(gòu)來(lái)減少薄膜的反射率并取得了不錯(cuò)的成果。結(jié)果表明當(dāng)單層空氣球形結(jié)構(gòu)的周期與氣泡直接分別為108 nm與100 nm附近。我們?cè)O(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以針對(duì)中心波長(zhǎng)450 nm光波段取得不錯(cuò)的抗反射效果，但是在所設(shè)計(jì)波段外并未發(fā)生反射率降低的現(xiàn)象。

(2)針對(duì)單層膜結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)了雙層膜結(jié)構(gòu)的空氣球形結(jié)構(gòu)模型，選取雙層空氣球形結(jié)構(gòu)的最上層氣泡直徑為108 nm，第二層空氣球形直徑為137.5 nm。結(jié)果表明在446 nm～529 nm波段內(nèi)，雙層球形結(jié)構(gòu)薄膜的反射率低于0.04，抗反射效果明顯優(yōu)于單層球形結(jié)構(gòu)薄膜的抗反射效果。雙層光學(xué)薄膜微結(jié)構(gòu)可以有效降低光學(xué)薄膜對(duì)太陽(yáng)光的反射，不僅可以提高太陽(yáng)能電池效率還可以廣泛應(yīng)用與其他行業(yè)類(lèi)似于平面顯示器、等離子電視、太陽(yáng)能光伏玻璃表面以及光學(xué)成像系統(tǒng)等領(lǐng)域。