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【6h】

硅基薄膜太阳能电池陷光结构的优化研究

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 太阳能电池工作原理及发展概述

1.3 硅薄膜太阳能电池与陷光技术

1.4 本文的研究内容及组织结构

2 理论基础

2.1 等离激元

2.1.1 表面等离极化激元

2.1.2 局域表面等离激元

2.2 表面等离激元陷光结构

2.3 仿真环境

3 前置Ag纳米光栅对非晶硅薄膜电池陷光的研究

3.1 电池设计与数值模型

3.2 电池在横磁波下光吸收率

3.2.1 陷光结构优化

3.2.2 陷光机理分析

3.3 横电波下电池光吸收率

3.4 本章小结

4 背置Ag纳米光栅对非晶硅薄膜电池陷光的研究

4.1 电池设计与数值模型

4.2 背置三角柱Ag纳米光栅陷光结构的研究

4.2.1 陷光结构优化

4.2.2 陷光机理分析

4.2.3 填充因子和材质对电池陷光的研究

4.2.4 入射角度对电池光吸收的影响

4.3 背置矩形长方体Ag纳米光栅陷光结构研究

4.3.1 陷光结构的优化

4.3.2 陷光机理的分析

4.3.3 入射角度对电池光吸收的影响

4.4 本章小结

5 Ag纳米球对非晶硅薄膜电池陷光的研究

5.1 前表面周期分布Ag纳米球陷光结构的研究

5.1.1 电池设计与数值模型

5.1.2 陷光结构的优化

5.1.3 陷光机理分析

5.1.4 结构参数对电池光吸收的影响

5.1.5 入射角度对电池光吸收的影响

5.2 前后表面周期分布Ag纳米球陷光结构的研究

5.3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

致谢

作者简介及研究成果

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摘要

太阳能是当前各类新能源中最具优势的可再生能源。硅基太阳能电池历史悠久,技术成熟,是最主要的光伏器件。如何提高太阳能电池的光电转换效率是解决其应用成本的关键所在。而提高电池的光吸收率,尽大限度地利用光能是当前需要克服的技术难题。因此,各种不同的陷光结构成为了科研学者们追逐的热点。
  本学位论文基于国内外太阳能电池研究进展,针对目前主要存在的提高电池光吸收的关键问题,利用表面等离激元效应研究了硅基材料表面各种陷光结构的光学特性。在硅基材料表面设计了两类提高光吸收的结构,即金属纳米光栅和金属银纳米球,系统研究了三种陷光结构对非晶硅薄膜电池光吸收特性的影响,并得到优化后的结构参数。
  1、在非晶硅薄膜电池表面设计银纳米光栅,分别通过TM波、TE波与TEM波垂直入射电池表面,研究了不同结构参数对光吸收影响并进行优化。确定出不同应用条件下最佳的几何参数。优化后电池吸收光子数为参照电池的92%。
  2、利用表面等离极化激元效应,研究了背表面置Ag纳米光栅,设计了三角柱状与矩形长方体状银纳米两种结构。研究分析了周期、半径、材质与面积对电池光吸收的影响并进行优化。结果表明银纳米光栅比铝纳米光栅具有更高的吸收率。两种结构中,矩形长方体纳米光栅光吸收率最高,较参照电池提高了104%。并对入射光角度的敏感度也得到了改善。
  3、基于局域表面等离激元共振,对比了不同分布方式布置银纳米球电池的光吸收效果。分析了前表面分布、前后表面同位与交错分布。结果表明,半径、周期与分布位置均对硅薄膜光吸收有影响。三种分布方式中,前后表面均匀分布光吸收效果最好,较参照电池提升了50%。陷光结构能够有效提升薄膜电池的光吸收,为薄膜太阳能电池设计与发展提供了理论上的支持。

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