光線光學(xué)與太陽能電池光學(xué)管理的基本概念

　　光線光學(xué) （RayOptics）

　　當(dāng)吸收 系數(shù) 較 小 時 ，光 在 活 性 層 中 的單 次 傳輸 遠(yuǎn)不 能充 分 利 用 可 吸 收 光譜 ，可 采用 陷 光 結(jié) 構(gòu)對 光進(jìn) 行 多次 散 射 或 反 射 ，能 極 大 地延 長 光 在 活性 層 內(nèi)部 的光 程 ，光 程 的 增 加 意 味 著 光 吸 收 概 率的提 升 ．特別 是 晶體 Si電池 ，其 活 性 層 吸 收 系數(shù)小 而厚 度較 大（180～300t~m），可 以利 用 光 線光 學(xué)理論 分 析光 在其 中 的傳 播 過 程 ．盡 管 光 線 光 學(xué) 理論 無法 定量 分 析 光 場 分 布 ，但 也 能 得 到 一 些 極 具實用價值 的指導(dǎo)性結(jié)果，并能直觀形象地反映部分 結(jié)構(gòu) 的 陷光機 理．

　　朗伯 表面 （LambertianSurface）

　　朗伯 表 面 被 認(rèn) 為 是 最 理 想 的 隨 機 散 射 表 面 ，其 散射 光與 入 射 光 角 度 無 關(guān) ，均 勻 分 布 在 散 射 半空 間．Yablonovitch利 用統(tǒng) 計光 線光 學(xué) （Statistical rayoptics）分析 了 弱 吸 收 薄 膜 中朗 伯 表 面 的散 射情 況 ，得 出 了光程 增強 的 4 極 限啪 ，即散 射 光 的最 大 光程 為薄膜 厚度 的 4 倍 ，其 中 為 薄膜折 射率 ．以 Si為 例 ， ≈ 3．5，則 其 最 大 光 程 增 強 因 子約為 5O倍．這 一 結(jié)果 表 明 ，朗伯 陷光 結(jié) 構(gòu)可 以極大地 增強 光吸 收．

　　4 極 限可 用 朗伯平 均光 線 法 導(dǎo) 出．如 圖 1所示 ，薄 膜 的下 表 面 為 朗 伯 散 射 表 面 ，上 表 面 是 與空氣 的分 界 平 面 ．設(shè) 光 垂 直 入 射 ，進(jìn) 入 薄 膜 后 經(jīng)過光程 叫到達(dá)朗伯下表面，經(jīng) 朗伯散射后再到達(dá)上表 面 ．對 于 隨機 散 射 的 朗伯 光 線 ，其 到 達(dá) 上 表面 的平 均光程 為 薄膜 厚 度 的兩 倍 ，即 2w．散 射 至上表 面 的光線 中有 一部 分 位 于逃 逸 錐 內(nèi)而 向外 泄露 ，位 于 逃逸 錐 外 的 光 線產(chǎn) 生 全 反 射 ，逃 逸 錐 的頂 角 由全反 射 臨界 角 決 定 ，光泄 露 比例 為 T一 1／n．朗伯光 線 的 平 均 光 程 2w 和 泄 露 比 T 可 由朗伯散 射 函數(shù) 求 出．用 朗 伯 平 均 光 線 代 表 朗伯 散射光 線 的集體 傳 播 方 向 ，其 在 薄 膜 上 下 表 面 之 間經(jīng)過 多 次 反 射 ，最 終 進(jìn) 入 逃 逸 錐 后 產(chǎn) 生 泄 露 ，泄露 出去前 最后 一 次 穿 越 薄 膜 的光 程 約 等 于 叫