可见长波会透过硅片的原因

可见长波（通常指波长接近或超过700纳米的光）会透过硅片，主要与硅的带隙结构、吸收系数及光程有关，具体原因如下：

1. 硅的带隙结构限制吸收范围

• 硅是间接带隙半导体，其带隙宽度约为1.12电子伏特（eV），对应吸收截止波长约为1100纳米（根据公式 $\lambda =\frac{hc}{E_g}$，其中 $h$ 为普朗克常数，$c$ 为光速）。

• 可见光波长范围为380-780纳米，其中长波部分（如红光，620-780纳米）能量较低，接近硅的带隙边缘。此时，光子能量仅略高于带隙，电子跃迁需要声子辅助，导致吸收概率降低，部分光子可能未被吸收而透过硅片。

2. 长波光吸收系数低，穿透深度大

• 硅对不同波长光的吸收系数差异显著：

• 短波光（如蓝光，450-495纳米）：吸收系数高（$\alpha >10^4{\text{cm}}^{-1}$），在硅片表面数微米内即被完全吸收。

• 长波光（如红光，620-780纳米）：吸收系数低（$\alpha <10^3{\text{cm}}^{-1}$），穿透深度可达数百微米甚至毫米级。

• 若硅片厚度不足（如太阳能电池常用厚度为150-200微米），长波光可能未被完全吸收而直接透过。

3. 光程与硅片厚度的关系

• 光在硅片中的传播路径受反射和散射影响：

• 表面反射：硅的折射率（约3.5）与空气（折射率1）差异大，导致约30%的入射光在表面被反射（未镀增透膜时）。

• 内部散射：若硅片存在晶格缺陷、杂质或表面粗糙度，光可能发生散射，改变传播方向。但长波光因波长较长，散射效应较弱，更易沿直线传播并透过硅片。

• 厚度不足时：长波光在硅片内的传播距离有限，未被吸收的光子会透过背面或被反射回体内后再次透过，导致透光率升高。

4. 实验与应用的验证

• 太阳能电池案例：

• 常规单晶硅太阳能电池厚度约180微米，对波长大于1000纳米的光透光率显著上升（因吸收系数急剧下降）。

• 为减少长波光损失，常采用背场结构（如铝背场）将未吸收的长波光反射回电池内部，增加光程以提高吸收效率。

• 光谱测量数据：

• 厚度为0.5毫米的单晶硅片在1200纳米波长处透射率为58%，而厚度减至0.2毫米时透射率提升至72%，直接证明厚度对长波光透过的显著影响。

总结

可见长波透过硅片的核心原因是：硅的带隙结构限制了其对长波光的吸收能力，导致吸收系数低、穿透深度大；若硅片厚度不足，长波光未被完全吸收即透过背面或被反射后再次透过。这一特性在太阳能电池设计中需通过优化厚度或引入背场结构来平衡透光与吸收效率。