介电薄膜在光学涂层中的应用

什么是防反射涂层？

来自各种光学表面的反射波通过相消干涉相互抵消。抗反射涂层在光学薄膜技术发展的最初阶段发挥了主导作用。

沉积在透镜表面上的抗反射涂层的主要优点包括提高光学系统的透射率，特别是在包含几个空气-玻璃界面的系统中，以及减少图像平面中的伪图像和背景照明。抗反射涂层用于多种光学系统，如光伏电池、相机物镜、光学窗口和显示器。

介电薄膜在抗反射涂层中的作用

薄膜形式的介电材料可以控制光的传播并减少系统中的杂散光量，因此在增透涂层中得到了广泛的应用。介质薄膜也可用作滤光器或低损耗反射器，选择性地传输特定的辐射频率。

商业上可用的介电材料，如氧化铝、硫化镉、氧化铈、氟化镧、氟化锂、氧化镁、一氧化硅、氧化钍、二氧化锆(ZrO2)和氧化氟化钍用于抗反射涂层。

干涉涂层的性能在普通光学系统的入射角范围内不会下降，这些系统的孔径和场半角被限制在小于250度。但是，在特殊情况下，在较大的入射角范围内需要良好的性能时，必须考虑极化效应。

采用折射率接近相邻两种介质折射率几何平均值的材料，设计了一种由单个四分之一波层组成的防反射介质薄膜涂层。该涂层可以通过相消干涉抵消两个界面处出现的等量级反射。

然而，单层涂层方法有几个限制，包括需要识别具有适当低折射率的介电涂层材料，特别是在体介质具有低折射率的情况下。

例如，折射率低的冰晶石薄膜容易损坏，而折射率高的氟化镁薄膜则很坚固。此外，单层涂层仅在有限的角度范围和带宽内有效。

单层介质薄膜涂层的局限性可以通过多层来克服，其中可调参数的数量，如厚度和折射率，更高，折射率可以选择对应于现成的材料。

尽管多层增透涂层在许多应用中都有使用，但由于这些涂层的高成本，限制了两层以上增透涂层在极端特殊情况下的使用。

当需要在非常大的波长范围内具有抗反射性能或无法确定适合单层涂层的介质时，需要采用复杂的多层介质膜涂层设计。

在这种多层设计中，一般在大带宽和低剩余反射率之间进行权衡。例如，V型涂层仅在10nm的窄带宽内具有良好的性能，而宽带涂层在较宽的波长范围内具有中等的性能。

当增透涂层中介电薄膜层数增加时，规范的严密性增加，而设计参数保持在可行范围内。

所述涂层有效的波长范围随着涂层层数的增加而增加。然而，如果总涂层厚度固定，涂层会表现为不均匀膜。

介质薄膜作为增透膜的研究

反射损耗主要降低了所有光伏器件类型的效率，首先反射损耗发生在光伏组件的玻璃-空气界面。当组件中没有使用光捕获机制时，几乎4%的太阳能在该表面损失。

大多数商用碲化镉(CdTe)太阳能组件目前缺乏光捕获机制来解决玻璃-空气界面的反射损失。在发表在IEEE Journal of photovolics上的一项研究中，研究人员在薄膜CdTe太阳能电池玻璃表面设计并沉积了一种宽带多层介电薄膜涂层，以最大限度地减少反射损失。

该涂层包含四层交替的二氧化硅(SiO2)和ZrO2薄膜。采用高速率脉冲直流磁控溅射沉积。这项研究的结果证实了薄膜碲化镉太阳能电池使用的光谱的透射率增加了2-5%。加权平均反射率从4.22%下降到1.24%，绝对效率提高了0.38%。