太阳能利用中微纳结构辐射传输特性研究

发布时间：2020-06-26 19:18

【摘要】：太阳能辐射的吸收增强,能够降低原料成本且提高能量利用效率,是开发新型高效太阳能光热和光伏器件的关键因素之一。微纳结构有着特殊的辐射特性和传输规律,在增强辐射吸收方面具有巨大的潜力。因此,本文研究了薄膜、周期性结构、非周期结构三类微纳结构,在太阳能辐射吸收增强中的应用。为了实现不同类型微纳结构的数值模拟,本文对传输矩阵、严格耦合波分析及时域有限差分法进行了编程实践。在研究薄膜结构时,基于导纳匹配条件,本文推导并归纳出任意层薄膜完全吸收时的导纳匹配公式。利用导纳匹配公式,指导了吸收材料选择以及结构参数确定。设计的含超薄层的三层薄膜结构,从理论、模拟和实验均证实了其良好的太阳能光谱选择吸收特性,且对于极化和大角度入射不敏感。对于周期性结构,研究了硅基纳米线和纳米孔阵列的吸收性能,发现不同阵列结构有着相近的最优周期。本文对最优周期的存在,以及阵列的吸收率峰形成进行了理论分析和解释。为了弥补纳米线阵列近带隙波长范围的吸收不足,文中提出了一种含薄块的纳米线阵列复合结构。研究发现,薄块能激发近红外区域的吸收峰,从而有效增强总的辐射吸收。同时,本文揭示了形成吸收峰的表面等离子极化、导波模态和磁极化机理。在非周期结构中,以一维混乱光栅和二维随机纳米孔为研究对象,对大量随机结构的吸收性能进行了统计分析。研究发现,一维混乱光栅存在优化结构,能使吸收性能高于对应的周期结构。但一维混乱光栅对于吸收性能提升有限,且对入射极化敏感。二维随机排列纳米孔研究表明,随机排列、随机孔径和无定型三类随机结构的吸收特性统计分布各异。无定型随机纳米孔结构,能够激发更多的导波共振模式,在太阳能宽谱吸收中具有良好的增强效果。本文对于三种不同类型微纳结构的辐射特性和辐射传输规律研究,证实了微纳结构在太阳能辐射吸收增强的有效性。同时,研究得到的辐射特性和传输规律,揭示的吸收增强机制,为改进现有的微纳结构,以及开发新型的高效辐射吸收器提供了方法和理论支持。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK519
【图文】：

图 3-12 (a)顶层薄膜厚度变化时吸收器的总转化效吸收器的吸Fig.3-12 (a) Total conversion efficiencies of absabsorptivity spectrum of the solar selective la黑点表示的最大转化效率为 78.64%，对84.9 nm。图 3-12 的总转化效率分布由穷举加到 11nm，变化间隔为 0.1nm，而中间介隔为 2 nm。直接采用导纳匹配公式（3-11）所示。由图可见，该线穿过了转化效率最高近，这说明导纳匹配分析给出的结构参数，法提供良好的初值大有裨益。最大转化效率如图 3-12（b）黑线所示。橘黄线表示 AM而灰线表示 373.15K 黑体辐射强度光谱。如

上海交通大学博士学位论文0.9954，非常接近完全吸收。这说明该结构的确定，是权衡了宽谱吸收、总发射率等多种因素，并不像导纳分析方法一样以单波长完全吸收为目的。在黑体辐射光谱范围内，吸收器的发射率基本保持在 4%以下，因而自身辐射损失很少，说明了该吸收器有着良好的波长选择性。为了进一步检测具有最大转化效率的层状吸收器对于入射方向及极化敏感性，不同极化方式及变化入射角度下的吸收率分布，如图 3-13 所示。在 TE 极化入射条件下，由图 3-13（a）看出，吸收率在入射角度小于 60°时，保持着宽谱高吸收率，而入射角度继续增大后，吸收率迅速减小。在 TM 极化入射下，如图 3-13（b）所示，吸收率在更大入射角度中保持着宽谱高吸收。因此，综合两种入射极化下吸收率特点，可预见在太阳光的混合极化入射下，该层状吸收器将在较大角度下保持着高吸收性能。

本文编号：2730778