第四章 硅太阳能电池的设计
太阳能电池的研究与制备技术
太阳能电池的研究与制备技术太阳能电池是一种可以将太阳能转化为电能的设备，已经成为世界能源领域的重要研究方向之一。
在人类追求可持续发展的时代背景下，太阳能电池的广泛应用促进了改善环境，减少污染，推动了人类文明的发展。
太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪初，当时法国科学家贝克勒耳发现一种基于半导体的太阳能电池效应。
在随后的100多年时间里，太阳能电池的制备技术不断提升，在材料、设计、生产等方面取得了多项重要进展。
太阳能电池的材料是制备太阳能电池的关键之一。
而能够产生太阳能电池效应的物质必须是“半导体”，因为它既能导电又能隔绝电流。
世界上大部分太阳能电池使用的是硅材料，因其稳定性和效率较高而成为主流。
但是，硅材料的制备困难，而且太阳能电池效率与硅材料的纯度直接相关，硅太阳能电池的制备和使用成本都较高，限制了其在大规模应用中的发展。
因此，研究人员一直在寻找材料更为廉价、效率更高的新型太阳能电池。
其中铜铟硒材料太阳能电池已经成为发展较快的一种，它的拓扑结构独特且半导体对电子的吸收更高效，可以在不增加生产成本的情况下提高转换效率。
铜铟硒太阳能电池的制备难度与硅太阳能电池相当，但其短脚效应和弱磷氧化物对太阳能电池的影响已经得到了一定的解决。
太阳能电池的设计也是决定其效率的关键之一，其中最主要的因素是太阳能电池的接触面积。
接触面积越大，电池的能量转换效率越高。
一种解决方案是使用三维太阳能电池，这种技术依赖于多个电池在锥形表面上的排列，可以实现完全覆盖灰尘和其他杂质。
太阳能电池的生产是一个复杂的过程，涉及到多种技术。
常见的生产过程包括注入、扩散、电镀、腐蚀和涂层等。
每个阶段都需要严密控制，以确保太阳能电池在生产过程中的质量和效率。
除了硅材料和铜铟硒材料太阳能电池，氢化铟镓（InGaP）太阳能电池和镍酸钴（NiCo）太阳能电池等也都是研究的热点。
未来几年，随着太阳能电池材料研发的深入和技术的进一步提升，太阳能电池的效率和生产成本有望实现双提升，用于大规模应用。
太阳能电池单晶硅
太阳能电池单晶硅
太阳能电池单晶硅是目前最常见的太阳能电池类型之一。
它由单晶硅制成，具有较高的转换效率和较长的使用寿命，广泛应用于家庭光伏发电系统、商业光伏电站、太阳能灯、太阳能电池板等领域。
太阳能电池单晶硅的制作工艺比较复杂，需要经过多个步骤才能完成。
下面是太阳能电池单晶硅的制作过程：
1. 硅单晶体生长：将硅原料熔化，然后通过种晶的方式让硅原子在晶体种子上逐渐生长，最终形成硅单晶体。
2. 切割硅片：将硅单晶体切割成厚度为0.3-0.4mm的硅片，通常采用金刚石线锯进行切割。
3. 清洗硅片：用酸洗液对硅片进行清洗，去除表面的氧化物和杂质。
4. 晶体硅片制备：将硅片放入炉中，在高温下进行扩散、氧化等处理，形成PN结。
5. 制作电极：在硅片表面涂上铝等金属，形成正负极。
6. 焊接：将多个硅片按照一定方式组合起来，形成太阳能电池板。
太阳能电池单晶硅的转换效率在20%左右，比其他太阳能电池类型高。
但由于制作过程复杂，成本较高，因此在大规模应用中仍存在一定的限制。
晶体硅太阳能电池结构及原理通用课件
行业政策与市场趋势的挑战与机遇
环保政策
随着全球对环境保护意识的增强，各国政府出台了一 系列的环保政策，对晶体硅太阳能电池的生产和应用 提出了更高的要求，但同时也为环保型、高效能的晶 体硅太阳能电池提供了市场机遇。
市场竞争
晶体硅太阳能电池市场竞争激烈，各国企业都在加大 研发和生产力度，提高产品质量和降低成本，以争取 更大市场份额，企业需要保持技术创新和市场敏锐度， 才能立于不败之地。
分类
太阳能电池主要分为硅基太阳能电池、 薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电 池等几大类，其中晶体硅太阳能电池 是硅基太阳能电池的一种。
晶体硅太阳能电池的应用与优势
应用
晶体硅太阳能电池广泛应用于光伏电站、太阳能热水器、太阳能灯具、太阳能 船、太阳能车等方面。
优势
晶体硅太阳能电池具有稳定性好、寿命长、转换效率高等优点，同时，由于其 在制造过程中技术成熟、成本逐渐降低，因此大规模应用较为广泛。
太阳能光伏电站案例分析
光伏电站类型
根据电站规模和应用场景，太阳能光伏电站可分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。集中式光伏电 站通常建设在荒漠、戈壁等土地资源丰富地区，而分布式光伏电站则主要建设在建筑屋顶、墙面等闲 置空间。
案例分析
以某大型集中式光伏电站为例，介绍晶体硅太阳能电池在其中的应用，包括电池组件选型、电站布局 设计、发电效率分析等方面。
太阳能交通工具概述
简要介绍太阳能汽车、太阳能船舶、太阳能 飞机等太阳能交通工具的发展现状及趋势。
晶体硅太阳能电池在太阳 能交通工具中的应用
阐述晶体硅太阳能电池在太阳能交通工具中 的关键技术，如高效能量存储系统、轻量化 设计等，并分析其在提高交通工具续航里程、 降低能耗等方面的作用。同时，探讨晶体硅 太阳能电池在未来太阳能交通工具领域的潜
硅基太阳能电池设计(课程设计)
微电子课程设计硅太阳能电池结构设计与参数提取第二章选题及要求2.1课题名称与背景课题名称：硅太阳电池结构设计与参数提取课题背景：1、太阳能利用太阳能是一种新型能源，具有无污染、可再生的特点。
太阳能电池/光伏电池（Solar Cells）是一种将太阳能转化为电能的元器件，其基本结构是PN结。
硅太阳电池因工艺成熟、成本低廉而占据全球光伏产业80%以上的份额。
图2.1 太阳能光谱图2、光伏效应太阳能电池的基本结构是半导体PN结，当存在光照时，光子被吸收而产生光生载流子，光生载流子发生扩散而在PN结中形成与内建电厂相反的光生电场。
称为光生伏特效应。
3、等效电路与负载特性在光照下，太阳电池的基本结构的等效电路如图2.2所示图2.2 等效电路电流公式为s 0()=exp(1)s ph sh q V IR V IR I I I nkT R ++---其中n 为二极管理想因子，s R 为串联电阻，sh R 为旁路电阻。
其负载特性曲线如图2.3所示图2.3 负载特性曲线定义FF 为填充因子，oc V 为开路电压，sc I 为短路电流，其中max .oc sc P FF V I =即两矩形面积之比，..oc sc inV I FF P η=2.2 课题内容（1）太阳电池结构设计：利用太阳能电池基础知识，完成电池PN结衬底、结深、掺杂浓度的设计，以及电极材料选择、电极宽度设计；（2）太阳电池虚拟制造：利用现代TCAD工艺仿真软件对太阳电池进行工艺仿真和虚拟制造，显示制造结果，并保存电池结构以进行下一步操作；（3）太阳电池性能仿真：利用现代TCAD工艺仿真软件对步骤2中的电池进行响应特性、负载特性等器件性能仿真，并与设计指标进行比对；（4）太阳电池参数提取：通过参考书和参考文献调研等方式，根据太阳电池等效电路模型，设计和编写响应的软件程序，从步骤3输出的负载特性曲线中提取电池性质参数，包括理想因子n，串联电阻Rs和旁路电阻Rsh；（5）太阳电池优化设计：若所设计电池的能量转换效率等指标未达到设计要求，则进一步根据步骤4获得的性质参数，分析改进电池的设计方案，并重复步骤1~4，直至电池开路电压、短路电流和能量转换效率达到设计的指标要求。
第4章 硅太阳能电池的设计
重减小扩散长度，但是由于电极区域并不参与载流子的生成，因此它对载流子的
收集的影响并不大。
此外，当高复合率的电池表面非常接近于p-n结时，要使复合的影响达到最 小，就必须尽可能的增加掺杂的浓度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
&4.3.4
减少复合效应-表面复合
类似的方法也使用在减少背表面复合率对电压和电流的影响上，如果背
表面与pn结的距离小于扩散长度。
速消失，以使得更多的载流子通过电池，提高前置电流。因此，必须有长的 扩散长度才能尽量减少复合并获得高电压。而扩散长度怎取决于电池材料的 类型、制造电池片的过程和掺杂的情况。
• 高掺杂导致低扩散长度，因此需要找到长扩散长度(它同时影响着电流和电
压)与高电压之间的平衡。
&4.3.3减少复合效应
复合引起的电压损失
&4.2.1
光学特性-光的损耗
下面将介绍几种能减少光损失的方法：
尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管可能导致串联电阻增加）。
减反射膜的厚度为入射光的波长的四分之一。对于折射率为n1薄膜材料，入
射光波长为λ0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=λ0/4n1 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进 一步降低
以都能起到减小反射的效果。
绒面结构对入射光的影响
&4.2.3
光学特性-表面制绒
一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面刻蚀便能达到制绒效果。 如果表面能恰当符合内部原子结构的话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构 成表面。
单晶硅制绒表面的电子显微镜扫描照片。
&4.2.3
光学特性-表面制绒
刻蚀多晶硅表面时，单晶硅的制绒方法都不能使用，因为只有在由<111> 晶体表面构成的表面才能完成有效的形态。 而多晶硅表面上，只有一小部分面积才有<111>方向。但是多晶硅制绒可 以使用光刻技术和机械雕刻技术，即使用切割锯或激光把表面切割成相应的 形状。
高中化学必修一第四章第一节无机非金属材料的主角——硅教案
第四章第一节无机非金属材料的主角——硅教学目标：1.了解硅在自然界中的含量、存在；2.了解硅单质、二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质，了解两者的用途；3．了解硅酸的性质，掌握硅酸钠的用途；了解传统硅酸盐产品的用途；4．了解新型无机非金属材料的用途及开展前景；5.通过硅酸的制备，硅酸钠的性质实验，学习实验设计的思维方式。
教学重难点：重点：硅、二氧化硅和硅酸的主要性质，硅酸盐的表示难点：硅、二氧化硅的化学性质，硅酸盐的表示教学过程：同学们，我们在第三章学习了金属及其化合物，也知道在我们自然界和日常生活中，金属广泛存在，那么除了金属以外，还有非金属，从今天这节课开始，我们将学习非金属。
第四章第一节无机非金属材料的主角——硅。
地壳中的元素有哪些，同学们还记得吗？请同学们回想一下。
我们在已经学习了氧元素，那么硅元素有哪些我们要学习掌握的呢？【硅元素在自然界中的存在】〔PPT展示图片〕硅在地壳中的含量为26.3％，仅次于氧。
硅的化合物构成了地壳中大局部的岩石、沙子和土壤,约占地壳质量的90%以上。
硅在自然界的存在形态：——没有游离态，只有化合态，以二氧化硅和硅酸盐的形式存在于岩石和矿物中。
【硅和碳的比拟】我们再来看一下硅元素在元素周期表中的位置，在碳的下面，请同学们画出碳和硅的原子结构示意图〔PPT 展示另个原子结构示意图〕，硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。
二者的电子层数不同，所以其性质也有差异性。
碳是构成有机物的主要元素，硅是构成岩石与许多矿物的根本元素。
我们按照前面学习的顺序，了解一下硅单质。
展示图片——单质硅，归纳单质硅的物理性质。
1.物理性质：〔1〕灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体〔2〕熔、沸点高、硬度大〔3〕晶体硅是良好的半导我们了解到硅原子最外层为4个电子，既不易失去也不易得到电子，常温下硅单质的化学性质不活泼。
那硅单质具有哪些化学性质呢？〔1〕常温下只和F2、HF、强碱反响Si + 2F2 === SiF4Si + 4 HF === SiF4 + 2H2Si + 2NaOH + H2O ===Na2SiO3 + 2H2〔2〕加热时能和O2反响△Si + O2====SiO23.用途：半导体材料、制合金、制太阳能电池等4.硅的制备〔1〕SiO2+2C == Si+2CO ↑〔粗硅〕假设C过量：SiO2+3C == SiC + 2CO ↑〔2〕 Si+2Cl2 == SiCl4〔3〕SiCl4+2H2 == Si+4HCl 〔高纯硅〕常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质〔金刚石〕存在，而硅却没有，说明了什么？请同学们阅读教材第74页。
硅太阳能电池-制造工艺
硅太阳能电池-制造工艺————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：PV的意思：它是英文单词Photovoltaic的简写，中文意思是“光生伏特”（简称“光伏”）。
在物理学中，光生伏特效应（简称为光伏效应），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象硅太阳能电池制造工艺流程图1、硅片切割，材料准备：工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。
2、去除损伤层：硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。
因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。
3、制绒：制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。
对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。
对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。
4、扩散制结：扩散的目的在于形成PN结。
普遍采用磷做n型掺杂。
由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。
5、边缘刻蚀、清洗：扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。
周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。
周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。
目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5
吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约
8.54吨。
1.1 太阳能资源
世界化石燃料的不断消耗
发展可再生替代能源
2100年64％
太阳能在未来能源结构中占主导地位！
1.1 太阳能资源
世界太阳能资源分布
地球上太阳能资源的分 布与各地的纬度、海拔 高度、地理状况、气候 条件等密切相关。
多晶硅 47.7% 单晶硅 38.3% 非晶硅 5.1% 带硅 1.5% CdTe 6.4% CIGS等 1.0%
中国光伏发展报告
Where is PV？
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳电池在太空的应用----飞船的翅膀
哈勃望远镜
两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦 功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用 的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分， 后部是一个环形舱，在这个舱里面，望远 镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器； 太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。
1.5 太阳电池应用与趋势
光伏建筑一体化是国际发展主流方向
尚德光伏研发中心
1.5 太阳电池应用与趋势
德国，遮阳挡雨，14.2 kW
德国，光伏走廊10 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
荷兰，装饰性光伏屋顶
意大利，外墙装饰，21 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
（1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现
主讲教师：
张兴旺 （1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@ 尹志岗 （5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@ 游经碧 （8-12章：22学时）；82304566，jyou@
课程性质：专业选修课 课时：54课时 考试类型：开卷 成绩计算方式：期末考试 （70%）+小组文献汇报 （30%）
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率 的膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是 每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏 应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为 0.6μm的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量 最接近太阳光谱能量的峰值。
如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范 围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来讲， 这样的成本通常太高。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
裸硅 （仅）覆盖玻璃的硅
覆盖有折射率为2.3的最优化抗反射膜玻璃的硅
Comparison of surface reflection from a silicon solar cell, with and without a typical anti-reflection coating.
2. 提高pn结收集光生载流子的能力。
3. 尽量减小黑暗前置电流。
4. 提取不受电阻损耗的电流。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.1 光学特性 光的损耗
光的损耗主要以降低短
路电流的方式影响太阳能电 被顶端
池的功率。被损耗的光包括
电极所 阻挡
本来有能力在电池中产生电
子空穴对，但是被电池表面
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
(a)破坏性 干涉导致 反射光为 零
(b)建设性 干涉导致 所有的光 都被反射
所有光 传入半 导体
没有光 传入半 导体
使用厚度为四分之一波长的减反射膜来减少表面反射。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
短路电流。因为开路电压VOC受短路电流的影响，VOC随着光 强呈对数上升。再者，因为填充因子也随着VOC的提高而提高， 所以填充因子同样随着光强的增加而提高。因光强的增加而额
外上升的VOC和FF使聚光太阳能电池获得更高的效率。
为获得最高效率，在设计单节太阳能电池时，应注意几项 原则：
1. 提高能被电池吸收并生产载流子的光的数量。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.3 光学特性 表面制绒
在硅表面制绒，可以与减反射膜相结合，也可以单独使 用，都能达到减小反射的效果。因为任何表面的缺陷都能增 加光反弹回表面而不是离开表面的概率，所以都能起到减小 反射的效果。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.3 光学特性 表面制绒
理的理解上很难达到。对于硅太阳能电池来说，其在一个太阳
照射下，比较实际的理论最高效率值大约为26%-28%。现今实
验室测得的硅太阳能电池的最高效率为24.7%。
理论值与实际测量值之间的差距主要来自两个方面因素。
首先，在计算理论最大效率时，人们假设所有入射光子的能量
都被充分利用了，即所有光子都被吸收，并且是被禁带宽度与
反射走的光线。对于大多数
太阳电池来说，所有的可
见光都能产生电子空穴对，
因此它们都能被很好地吸收。
表面反射 被电池的背面反射
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.1 光学特性 光的损耗
有很多减少光损失的方法：
尽量使电池顶端电极覆盖的面积达到最小（尽管这样可能 导致串联电阻的增加）。这一点在串联电阻一节中有详细 讨论 。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
硅太阳能电池效率的演变
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
理论上，光伏电池的最高转换效率能达到90%以上。然而，
这一数字的获得是以几个假设为前提的，这些假设在实际上很
难或根本不可能达到，至少在现今人类的科技水平和对器件物
第四章： 硅太阳能电池的设计
§ 4.1
§ 4.2 § 4.3
§ 4.4 § 4.5
基础太阳能 电池设计 光学设计 复合效应的 降低 电阻损耗 太阳能电池 的结构
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
太阳能电池的设计包括明确电池结构的参数以使 转换效率达到最大，以及设置一定的限制条件。这些 条件由太阳能电池所处的制造环境所决定。例如，如 果用于商业，即以生产最具价格优势的电池为目标， 则需要着重考虑制造电池的成本问题。然而，如果只 是用于以获得高转换效率为目标的实验研究，则主要 考虑的便是最高效率而不是成本。
表面制绒有几种方法。一块单晶硅衬底可以沿着晶体表面 刻蚀便能达到制绒效果。如果表面能恰当符合内部原子结构的 话，硅表面的晶体结构将变成由金字塔构成的表面。下图画出 了一个这样的金字塔结构，用电子显微镜拍摄的硅表面制绒。 这种制绒方式叫“随机型金字塔”制绒，通常在单晶硅电池制 造上使用。
在电池上表面加减反射膜 表面制绒 增加电池的厚度以提高吸收（尽管任何在与pn结的距离大
于扩散长度的区域被吸收的光，都因载流子的复合而对短 路电流没有贡献） 通过表面制绒与光陷阱的结合来增加电池中光的路径长度
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.2.2 光学特性 减反射膜
加在太阳能电池上表面的减反射膜与在其他 光学器件（如相机镜头）上的膜相似。它们包含 了一层很薄的介电材料层，膜的厚度经过特殊设 计，光在膜间发生干涉效应，避免了像在半导体 表面那样被反射出去。这些避免被反射出去的光 与其它光发生破坏性干扰，导致被反射出电池的 光强为零。除了减反射膜，干涉效应还能在水面 上的油膜上看到，它能产生彩虹般的彩色带。
其能量相等的材料吸收了。为了获得这种理论效果，人们想出
一种由无限多层材料禁带宽度不同的电池叠加在一起的模型，
每一层都只吸收能量与其禁带宽度相等的光子。
2020/10/17
应用光伏学
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§ 4.1.1 基础太阳能电池设计
第二个因素是假设入射光有高聚光比。并假设温度和电阻
效应对聚光太阳能电池的影响很小，而光强的增加能适当增加
减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光波
长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1的薄 膜材料，入射光真空中的波长为λ0，则使反射最小 化的薄膜厚度为
d1=λ0/(4n1) 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率
的几何平均数，反射将被进一步降低。即
n1 n0n2
2020/10/17
应用光伏学