硅基太阳能电池微纳减反射结构的设计及优化
发布时间：2021-06-18 11:44
光伏能源产业近几年来发展飞速,而太阳能电池是光伏能源技术中最重要的部分。硅基太阳能电池由于其性能稳定、效率较高、原材料丰富等许多优点,在太阳能电池市场中占据着重要地位。由于菲涅尔（Fresnel）反射的存在,裸露单晶硅在用于太阳能电池的表面时将反射掉约30%的太阳光,导致光能利用率很低,所以研究如何减少太阳能表面反射损耗,提高硅基太阳能电池的转换效率具有重要工程应用价值。利用硅表面微结构实现减反射成为近年来该领域的研究热点,表面微结构的减反特性与微结构参数密切有关。因此,在明确硅表面不同类型织构对可见光反射特性的基础上,通过表面微结构的优化设计进一步减少表面反射损耗,是提高硅基太阳能电池光电转换效率的有效途径。基于此,本文研究了常见的三类简单微结构的可见光（400-800 THz）反射特性,总结了不同类型表面微结构对不同频段可见光的反射特性之间的关系,在此基础上提出了硅基薄膜可见光减反的表面微结构设计方案。论文主要开展了以下三方面的工作:（1）系统研究了 6种表面凸起微结构（圆锥、圆柱、圆台、四棱锥、四棱柱、四棱台）对可见光的反射特性,分析了凸起结构的形状及尺寸与其可见光反射特性之间的...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
能源消耗所占比例Figure1.1Theproportionofenergyconsumption
1绪论3货的组件功率估计约为524GWp。计算得出，2017年，全球安装组件功率达到403KMW，在2018年底达到505KMW。其对应的组件价格分别为0.34美元/Wp和0.24美元/Wp。由此有理由相信，随着光伏技术的进步，太阳能电池效率的不断增加以及成本的下降，距离光伏平价上网的日子已经不远了。图1.2光伏组件单价与累积组件出货量关系图（来自ITRPV）Figure1.2Relationshipbetweenunitpriceofphotovoltaicmodulesandcumulativemoduleshipme1.2硅基太阳能电池简介1.2.1硅基太阳能电池的优势太阳能电池的发展经历了三个阶段。“第一代”太阳能电池以硅片为基础，其技术发展已经成熟，然而硅材料占了太阳能电池的大部分成本[11]。为了降低成本，减少硅材料的使用，基于薄膜和多结的第二代和第三代太阳能电池发展起来了。但是由于其转换效率和成本与晶硅电池相比仍不具备优势，限制了其在光伏市场的产业化应用。图1.3是美国再生能源实验室(NREL)汇总的从1975年到2019年来各类太阳能电池的最高效率，其中有最高效率达到46%的聚光多结太阳电池，以及近年来发展迅速且最高效率已经达到22.7%的钙钛矿太阳能电池，而目前硅基太阳能的最高光电转换效率已经达到了26.6%。由于目前大部分高效太阳能电池均为实验室数据，而硅基太阳能电池的最高转换效率目前已经达到较高水平，故短时间内还不会被其他商业电池所超过（例如铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率达到22.6%），因此硅基太阳能电池在未来的一段时间内将继续主导光伏市常
西安科技大学全日制工程硕士学位论文4硅基太阳能电池之所以能获得这样广泛的应用，除稳定性能好、转换效率较高的优点外，还具有其它种类的太阳电池无法比拟的优势。硅元素在地球上的储量丰富，位居第二，硅的克拉克数为25.8（以地球地壳表层存在元素的比例分数（克拉克数）来表示），转换效率很高的砷化镓(GaAs)中的镓的克拉数仅为0.0015，在元素克拉克数排序三十位以外。铜铟镓硒(CIGS)需要较多的元素In，但In的地表储量非常小，克拉克数低于0.00001%。此外，碲化镉中的镉元素具有较大的毒性，可能对人居环境造成危害，应谨慎使用。从元素含量及保护环境的角度来说，硅基太阳能电池在各种材料中无疑是较佳的选择。图1.3从1975年到2019年不同种类太阳能电池的最高转换效率（来自NREL）Figure1.3Thehighestconversionefficiencyofdifferenttypesofsolarcellsfrom1975to2019(fromNREL)1.2.2硅基太阳能电池的能量损耗引起硅基太阳能电池能量转换损耗的主要原因有两大类：光学损失和电学损失。具体的分类见图1.4。光学损失有透过损失、栅线遮蔽损失和电池前表面的反射损失。硅的能带宽度为1.124eV，入射光子能量如果低于这个带隙能量就将直接透过材料，因此太阳能光谱中约有15%的光能无法用于光电转换，这就形成了透过损失。栅线遮蔽损失指的是电池前表面的金属栅线会对入射光接收面积产生影响，遮蔽面积比通常为5%-10%。此外，由于硅的折射率较高，在硅的响应光谱350nm-1150nm[12]波段内，硅的折射率值高达3.5～6.5，当太阳光照射至未经处理的裸硅平面时，电池前表面的反射率高达35%，造成了光能的大量损失。对于太阳能电池的研究始终是为了实现提高效率和降低成本这两个目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于吸波亚波长结构的宽频隐身防弹材料设计[J]. 张晗,张泽奎,李宝毅,赵亚娟,张榕. 兵器材料科学与工程. 2020(01)
[2]基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展[J]. 姚尧,沈悦,郝加明,戴宁. 物理学报. 2019(14)
[3]人工光学微结构研究进展[J]. 李占成,程化,陈树琪. 物理. 2019(06)
[4]利用亚波长光栅增加太阳电池的光俘获[J]. 黄仙健,沈宏君,李婷,李新兰. 太阳能学报. 2018(12)
[5]一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计[J]. 钟可君,伏燕军,江光裕. 应用光学. 2018(05)
[6]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)
[7]硅太阳能电池表面纳米线阵列的光学特性研究[J]. 黄晓刚,王进,高慧芳,张启. 光电子技术. 2016(02)
[8]亚波长浮雕光栅的衍射和抗反射及增透研究[J]. 刘影,崔杰,姚国政,叶志成. 光学学报. 2016(02)
[9]双层光栅结构减小非晶硅薄膜太阳电池的反射[J]. 黄祥军,张耀举,安鸿昌. 激光与光电子学进展. 2015(07)
[10]基于有限积分法的电磁兼容吸波材料反射率的建模仿真[J]. 鞠文静,周忠元,蒋全兴,景莘慧,周香. 东南大学学报(自然科学版). 2015(03)
硕士论文
[1]应用于3D光集成的双层光栅耦合器件研究[D]. 朱华.天津工业大学 2019
[2]基于有限积分法和机器学习的场强分布预测方法[D]. 侯文元.北京邮电大学 2018
[3]基于石墨烯谐振环的可调吸波器[D]. 李笑笑.暨南大学 2017
[4]基于严格耦合波方法研究一维光学微结构的光吸收特性[D]. 董泽东.南京航空航天大学 2016
[5]光学表面微结构抗反射特性与优化设计研究[D]. 马志博.西北大学 2011
[6]单晶硅太阳能电池制绒新技术研究[D]. 古贺生.浙江大学 2011
本文编号：3236602
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
能源消耗所占比例Figure1.1Theproportionofenergyconsumption
1绪论3货的组件功率估计约为524GWp。计算得出，2017年，全球安装组件功率达到403KMW，在2018年底达到505KMW。其对应的组件价格分别为0.34美元/Wp和0.24美元/Wp。由此有理由相信，随着光伏技术的进步，太阳能电池效率的不断增加以及成本的下降，距离光伏平价上网的日子已经不远了。图1.2光伏组件单价与累积组件出货量关系图（来自ITRPV）Figure1.2Relationshipbetweenunitpriceofphotovoltaicmodulesandcumulativemoduleshipme1.2硅基太阳能电池简介1.2.1硅基太阳能电池的优势太阳能电池的发展经历了三个阶段。“第一代”太阳能电池以硅片为基础，其技术发展已经成熟，然而硅材料占了太阳能电池的大部分成本[11]。为了降低成本，减少硅材料的使用，基于薄膜和多结的第二代和第三代太阳能电池发展起来了。但是由于其转换效率和成本与晶硅电池相比仍不具备优势，限制了其在光伏市场的产业化应用。图1.3是美国再生能源实验室(NREL)汇总的从1975年到2019年来各类太阳能电池的最高效率，其中有最高效率达到46%的聚光多结太阳电池，以及近年来发展迅速且最高效率已经达到22.7%的钙钛矿太阳能电池，而目前硅基太阳能的最高光电转换效率已经达到了26.6%。由于目前大部分高效太阳能电池均为实验室数据，而硅基太阳能电池的最高转换效率目前已经达到较高水平，故短时间内还不会被其他商业电池所超过（例如铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率达到22.6%），因此硅基太阳能电池在未来的一段时间内将继续主导光伏市常
西安科技大学全日制工程硕士学位论文4硅基太阳能电池之所以能获得这样广泛的应用，除稳定性能好、转换效率较高的优点外，还具有其它种类的太阳电池无法比拟的优势。硅元素在地球上的储量丰富，位居第二，硅的克拉克数为25.8（以地球地壳表层存在元素的比例分数（克拉克数）来表示），转换效率很高的砷化镓(GaAs)中的镓的克拉数仅为0.0015，在元素克拉克数排序三十位以外。铜铟镓硒(CIGS)需要较多的元素In，但In的地表储量非常小，克拉克数低于0.00001%。此外，碲化镉中的镉元素具有较大的毒性，可能对人居环境造成危害，应谨慎使用。从元素含量及保护环境的角度来说，硅基太阳能电池在各种材料中无疑是较佳的选择。图1.3从1975年到2019年不同种类太阳能电池的最高转换效率（来自NREL）Figure1.3Thehighestconversionefficiencyofdifferenttypesofsolarcellsfrom1975to2019(fromNREL)1.2.2硅基太阳能电池的能量损耗引起硅基太阳能电池能量转换损耗的主要原因有两大类：光学损失和电学损失。具体的分类见图1.4。光学损失有透过损失、栅线遮蔽损失和电池前表面的反射损失。硅的能带宽度为1.124eV，入射光子能量如果低于这个带隙能量就将直接透过材料，因此太阳能光谱中约有15%的光能无法用于光电转换，这就形成了透过损失。栅线遮蔽损失指的是电池前表面的金属栅线会对入射光接收面积产生影响，遮蔽面积比通常为5%-10%。此外，由于硅的折射率较高，在硅的响应光谱350nm-1150nm[12]波段内，硅的折射率值高达3.5～6.5，当太阳光照射至未经处理的裸硅平面时，电池前表面的反射率高达35%，造成了光能的大量损失。对于太阳能电池的研究始终是为了实现提高效率和降低成本这两个目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于吸波亚波长结构的宽频隐身防弹材料设计[J]. 张晗,张泽奎,李宝毅,赵亚娟,张榕. 兵器材料科学与工程. 2020(01)
[2]基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展[J]. 姚尧,沈悦,郝加明,戴宁. 物理学报. 2019(14)
[3]人工光学微结构研究进展[J]. 李占成,程化,陈树琪. 物理. 2019(06)
[4]利用亚波长光栅增加太阳电池的光俘获[J]. 黄仙健,沈宏君,李婷,李新兰. 太阳能学报. 2018(12)
[5]一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计[J]. 钟可君,伏燕军,江光裕. 应用光学. 2018(05)
[6]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)
[7]硅太阳能电池表面纳米线阵列的光学特性研究[J]. 黄晓刚,王进,高慧芳,张启. 光电子技术. 2016(02)
[8]亚波长浮雕光栅的衍射和抗反射及增透研究[J]. 刘影,崔杰,姚国政,叶志成. 光学学报. 2016(02)
[9]双层光栅结构减小非晶硅薄膜太阳电池的反射[J]. 黄祥军,张耀举,安鸿昌. 激光与光电子学进展. 2015(07)
[10]基于有限积分法的电磁兼容吸波材料反射率的建模仿真[J]. 鞠文静,周忠元,蒋全兴,景莘慧,周香. 东南大学学报(自然科学版). 2015(03)
硕士论文
[1]应用于3D光集成的双层光栅耦合器件研究[D]. 朱华.天津工业大学 2019
[2]基于有限积分法和机器学习的场强分布预测方法[D]. 侯文元.北京邮电大学 2018
[3]基于石墨烯谐振环的可调吸波器[D]. 李笑笑.暨南大学 2017
[4]基于严格耦合波方法研究一维光学微结构的光吸收特性[D]. 董泽东.南京航空航天大学 2016
[5]光学表面微结构抗反射特性与优化设计研究[D]. 马志博.西北大学 2011
[6]单晶硅太阳能电池制绒新技术研究[D]. 古贺生.浙江大学 2011
本文编号：3236602
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