基于六边形光子晶体结构的太阳能电池吸收层设计
发布时间：2021-09-28 13:09
本文详细的总结了太阳能电池的背景、发展历程、影响吸收效率的因素。按照光子晶体的不同维数,分析了光子晶体在太阳能电池中的应用进展和特点。在本研究中,研究了利用光子晶体结构来设计和优化薄膜太阳能电池中的砷化镓（GaAs）或砷化铟（InAs）吸收层。采用六边形散射体,分别讨论了空气和二氧化硅填充散射元的情况。设计并优化了六种不同情况下的光子晶体吸收层结构,吸收材料为GaAs或InAs,散射元填充空气或二氧化硅。模拟结果表明,采用光子晶体结构的吸收层可以大大提高吸收层的吸收效率。当吸收层高度H=0.20μm时,GaAs的最大吸收率为79.51%,InAs的最大吸收率为96.57%。另外,当入射角为70°时,结构的吸收率在65%以上,因此光子晶体结构吸收层受光入射角的影响较小。同时,光子晶体的大孔结构适用于量子点的填充,量子点对光的吸收率影响不大,但可以提高光电转换效率。同时,本文还对六边排布的六边形光子晶体结构进行了模拟分析,分析其各种缺陷态下的慢光情况,为光子晶体在太阳能电池应用中提供了理论支撑。
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超薄晶硅电池结构原理图
James G．Mutit 课题组设计了一种多结的太阳能电池[8]（如图1.2）。这种太阳能电池在400~1100 nm的吸收率达到77%，短路电流达到30.25 mA/cm2，在带的边缘（867~1100nm）增强因子达到4.6，在1100~1800 nm 的传输效率达到41%。图1.2 部分叠层太阳能电池结构以及三角形光栅的SEM 照片1.2.2 二维光子晶体在太阳能电池中的应用二维光子晶体较一维光子晶体的制造较为复杂，光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当，所以禁带中心位置的光波波长越长越容易制造。目前的二维光子晶体的制备工艺大致有以下几种[9-12]：介质条堆积法、电子束离子束刻蚀法、电化学腐蚀阳极氧化铝等。目前，二维光子晶体应用在太阳能电池上的最广泛结构主要有两种：一种是介电常数为1的空气孔结构，另一种是介电常数较大的介质柱结构。例如介质柱型、介质孔三角型、介质孔六角型等[13]
青岛大学硕士学位论文3图1.3 (a)介质孔型光子晶体（b）介质柱型光子晶体示意图1.2.3 三维光子晶体在太阳能电池中的应用较一维和二维光子晶体，三维光子晶体具有更为复杂的结构和更好的禁带效应。利用三维光子晶体结构制备的太阳能电池，光子在其留滞时间和平均光子路程增加，可以大大提高太阳能电池的效率。三维光子晶体由于结构较为复杂，普通的制备二维和一维光子晶体的方法并不适用于三维光子晶体。三维光子晶体制备的方法大致可以分为以下几种：蘸笔纳米光刻术、胶体微球自组装法、多光束相干、相位光栅、掠角度沉积技术和电子束离子束联用等[16-21]。三维光子晶体主要应用在敏化太阳能电池上，其主要使用自组装方法来完成的。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构，其实一种整体的复杂的协同作用。1.3 总结与展望光子晶体在太阳能电池中的应用研究中，一维光子晶体的研究最为透彻，由于结构简单可以进行直接计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]采用超薄的GaAs光子晶体吸收层提高太阳能电池的吸收效率[J]. 姜澄溢,王贤明,刘浩楠,张富宝,万勇. 人工晶体学报. 2018(12)
[2]光子晶体在太阳能电池中的应用[J]. 姜澄溢,刘浩楠,张富宝,季福云,徐胜,万勇. 人工晶体学报. 2018(02)
[3]利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率[J]. 沈宏君,李婷,卢辉东,黄仙健,李新兰. 发光学报. 2016(07)
[4]非密堆积型PS胶体晶体及其TiO2反结构的制备[J]. 万勇,蔡仲雨,贾明辉,管延鑫,张志云. 人工晶体学报. 2014(11)
[5]硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备[J]. 陈培专,侯国付,索松,倪牮,张建军,张晓丹,赵颖. 物理学报. 2014(12)
[6]一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计[J]. 沈宏君,张瑞,卢辉东. 发光学报. 2013(06)
[7]基于一维光子晶体陷光的超薄晶硅太阳电池研究[J]. 陆晓东,伦淑娴,周涛,王月,张明. 人工晶体学报. 2013(04)
[8]一种基于光子晶体的高效太阳能电池反射器的设计[J]. 李文胜,黄海铭,付艳华,张琴,是度芳. 激光与红外. 2011(08)
[9]PS微球胶体晶体及其反相SiO2结构的制备和表征[J]. 万勇,蔡仲雨,赵修松,李洪亮,夏临华. 人工晶体学报. 2011(01)
[10]硅纳米线阵列的光学特性[J]. 周建伟,梁静秋,梁中翥,王维彪. 发光学报. 2010(06)
博士论文
[1]硅基太阳能电池陷光材料及陷光结构的研究[D]. 王海燕.郑州大学 2005
硕士论文
[1]反蛋白石结构光子晶体光电极的制备及其可见光下光电性能的研究[D]. 单体育.大连理工大学 2014
本文编号：3411961
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超薄晶硅电池结构原理图
James G．Mutit 课题组设计了一种多结的太阳能电池[8]（如图1.2）。这种太阳能电池在400~1100 nm的吸收率达到77%，短路电流达到30.25 mA/cm2，在带的边缘（867~1100nm）增强因子达到4.6，在1100~1800 nm 的传输效率达到41%。图1.2 部分叠层太阳能电池结构以及三角形光栅的SEM 照片1.2.2 二维光子晶体在太阳能电池中的应用二维光子晶体较一维光子晶体的制造较为复杂，光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当，所以禁带中心位置的光波波长越长越容易制造。目前的二维光子晶体的制备工艺大致有以下几种[9-12]：介质条堆积法、电子束离子束刻蚀法、电化学腐蚀阳极氧化铝等。目前，二维光子晶体应用在太阳能电池上的最广泛结构主要有两种：一种是介电常数为1的空气孔结构，另一种是介电常数较大的介质柱结构。例如介质柱型、介质孔三角型、介质孔六角型等[13]
青岛大学硕士学位论文3图1.3 (a)介质孔型光子晶体（b）介质柱型光子晶体示意图1.2.3 三维光子晶体在太阳能电池中的应用较一维和二维光子晶体，三维光子晶体具有更为复杂的结构和更好的禁带效应。利用三维光子晶体结构制备的太阳能电池，光子在其留滞时间和平均光子路程增加，可以大大提高太阳能电池的效率。三维光子晶体由于结构较为复杂，普通的制备二维和一维光子晶体的方法并不适用于三维光子晶体。三维光子晶体制备的方法大致可以分为以下几种：蘸笔纳米光刻术、胶体微球自组装法、多光束相干、相位光栅、掠角度沉积技术和电子束离子束联用等[16-21]。三维光子晶体主要应用在敏化太阳能电池上，其主要使用自组装方法来完成的。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构，其实一种整体的复杂的协同作用。1.3 总结与展望光子晶体在太阳能电池中的应用研究中，一维光子晶体的研究最为透彻，由于结构简单可以进行直接计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]采用超薄的GaAs光子晶体吸收层提高太阳能电池的吸收效率[J]. 姜澄溢,王贤明,刘浩楠,张富宝,万勇. 人工晶体学报. 2018(12)
[2]光子晶体在太阳能电池中的应用[J]. 姜澄溢,刘浩楠,张富宝,季福云,徐胜,万勇. 人工晶体学报. 2018(02)
[3]利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率[J]. 沈宏君,李婷,卢辉东,黄仙健,李新兰. 发光学报. 2016(07)
[4]非密堆积型PS胶体晶体及其TiO2反结构的制备[J]. 万勇,蔡仲雨,贾明辉,管延鑫,张志云. 人工晶体学报. 2014(11)
[5]硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备[J]. 陈培专,侯国付,索松,倪牮,张建军,张晓丹,赵颖. 物理学报. 2014(12)
[6]一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计[J]. 沈宏君,张瑞,卢辉东. 发光学报. 2013(06)
[7]基于一维光子晶体陷光的超薄晶硅太阳电池研究[J]. 陆晓东,伦淑娴,周涛,王月,张明. 人工晶体学报. 2013(04)
[8]一种基于光子晶体的高效太阳能电池反射器的设计[J]. 李文胜,黄海铭,付艳华,张琴,是度芳. 激光与红外. 2011(08)
[9]PS微球胶体晶体及其反相SiO2结构的制备和表征[J]. 万勇,蔡仲雨,赵修松,李洪亮,夏临华. 人工晶体学报. 2011(01)
[10]硅纳米线阵列的光学特性[J]. 周建伟,梁静秋,梁中翥,王维彪. 发光学报. 2010(06)
博士论文
[1]硅基太阳能电池陷光材料及陷光结构的研究[D]. 王海燕.郑州大学 2005
硕士论文
[1]反蛋白石结构光子晶体光电极的制备及其可见光下光电性能的研究[D]. 单体育.大连理工大学 2014
本文编号：3411961
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