利用二维陷光结构增加硅薄膜太阳能电池吸收的设计研究

发布时间：2017-09-26 11:24

  本文关键词：利用二维陷光结构增加硅薄膜太阳能电池吸收的设计研究

  更多相关文章： 硅薄膜太阳能电池 严格耦合波方法 亚波长光栅 光子晶体 衍射效率

【摘要】：亚波长光栅是结构尺寸小于光波长的光栅,具有减反射和偏振双折射效应；金属纳米结构可激发表面等离子体模式以增强电池吸收,同时减少总体积和有源层的厚度；光子晶体,一种折射率周期性变化的结构,利用其独特的色散关系会产生慢光效应。本文则根据亚波长结构及光子晶体的结构特性进行光学设计,实现薄膜太阳能电池的高吸收。本文详细推导了二维严格耦合波方法,可严格求解亚波长结构的衍射效率及场分布,同时介绍了用于求解光子晶体能带结构的平面波展开法。首先提出了两种可用于薄膜太阳能电池防反射层结构的亚波长光栅：半球体和圆柱体亚波长光栅,利用严格耦合波方法优化光栅结构的周期、槽深、占空比和基底厚度,使得光栅结构在入射角为0。-89。,波长为300 nm-1100 nm范围内的平均透射率均在82%以上,入射角为400～800时改善效果尤其明显,是薄膜太阳能电池中非常有效的陷光结构。结合半球体亚波长光栅防反射层,基于光子晶体的慢光效应,设计了一种吸收层为2D四方晶格光子晶体的Si薄膜太阳能电池结构。经验证该结构在波长为300 nm-1100 nm,入射角为0。-80。时平均吸收效率为90.47%；入射角在0。-89。范围内平均吸收效率为86%,不仅实现了全角范围内的高吸收,而且减少了结构体积和有源层厚度。最后,根据光栅的散射可增加有效光程,金属表面激发的等离子体模式可增加光的吸收。设计了一种吸收层厚1μm,总厚度为1.45 μm的含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥金属光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构。对优化后的电池结构进行数值计算,得出：该薄膜太阳能电池结构在入射角为0。75。、波长为300 nm-750 nm时平均吸收效率达92%。其中防反射层使得该薄膜太阳能电池在300 nm-600 nm波段的平均吸收效率提高了11.54%；背反射层在600nm-850 nm波段平均吸收效率提高了3.75%。
【关键词】：硅薄膜太阳能电池 严格耦合波方法 亚波长光栅 光子晶体 衍射效率
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-6
• 第一章 绪论6-12
• 1.1 研究背景6
• 1.2 太阳能电池6-9
• 1.3 光栅、光子晶体及其在太阳能电池中的应用9-11
• 1.4 本文结构11-12
• 第二章 光栅及光子晶体理论分析12-23
• 2.1 二维严格耦合波方法12-18
• 2.2 平面波展开法18-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 硅薄膜太阳能电池防反射层设计23-28
• 3.1 结构模型23-24
• 3.2 参数优化计算24-27
• 3.3 本章小结27-28
• 第四章 硅薄膜太阳能电池吸收层设计28-33
• 4.1 结构模型28-29
• 4.2 优化计算29-32
• 4.3 本章小结32-33
• 第五章 一种增加硅薄膜太阳能电池吸收的设计33-40
• 5.1 结构模型33-34
• 5.2 结构优化34-36
• 5.3 结构比较36-39
• 5.4 本章小结39-40
• 第六章 总结与展望40-41
• 参考文献41-45
• 致谢45-46
• 个人简历及论文发表情况46

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本文编号：923229