基于二维陷光结构的薄膜太阳能电池的设计与光吸收性能研究

发布时间：2018-02-23 19:15

本文关键词： 有机太阳能电池钙钛矿太阳能电池光吸收增强光子模式表面等离激元　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太阳能光伏发电是绿色、可再生能源技术之一,在未来能源利用中将占有愈来愈重要的地位。其中薄膜太阳能电池由于可以节省材料、降低能耗、轻便、利于实现柔性器件、半透明器件等优点,已经被公认为未来太阳能电池中非常有前景的发展方向。迄今为止,已经出现了不同活性材料制造的低成本超薄膜太阳能电池,包括有机太阳能电池(Organic Solar Cells,OSCs)和钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)等。然而,超薄活性层会引起光吸收不足,从而造成光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)偏低。为提高PCE,在电池中引入陷光结构,通过激发表面等离激元和/或腔模、布洛赫模等光子模式来增加光吸收的方法已经被广泛应用。本文通过时域有限差分(FDTD)方法和有限元法(FEM),理论上设计了基于二维陷光结构的薄膜太阳能电池,通过对所设计电池关键结构参数的扫描和优化,明确了器件结构参数对光吸收性能的影响,并通过电磁场的空间分布、时域传播特性及共振模式分析,探讨了光吸收增强机理。本文的研究将为高效率薄膜太阳能电池的研发提供科学依据和理论指导。主要研究结果如下:首先,将金属纳米球(metalnanospheres,mnps)掺入有机太阳能电池中,利用fdtd方法分别研究了两种不同mnps(ag和au纳米球)对具有优化厚度活性层光吸收的影响。结果表明,oscs的光吸收增强取决于mnps的性质和给受体混合体系的类型。对于优化厚度的活性层,金属纳米颗粒引起光吸收的增强因子远低于实验报道的pce的增强因子,表明掺杂mnps所带来oscs的pce提高并不只来源于金属颗粒所带来的光吸收增强,更主要的是金属纳米颗粒诱导的oscs电性能的提高。另外,研究了ag@sio2核/壳纳米球阵列的陷光能力发现ag@sio2纳米粒子阵列引入osc可以带来明显的吸收增强,其增强效果小于ag纳米球阵列但高于sio2纳米球阵列。对psbtbt:pc71bm中掺入ag纳米球阵列的场分布研究表明:吸收增强主要是由于表面等离激元激发所引起的磁共振和电共振所致。其次,提出在ito上引入二维介质纳米球阵列,且所有功能层保持与纳米球阵列共形的凹凸结构。计算结果表明:光垂直入射下,在400-900nm波段内活性层总的吸收率达到76.6%,相较于平板参比器件,吸收率提高了21.6%。同时,此结构表现出宽谱、广角的吸收特性。通过场分布分析得到:吸收增强主要是由于腔模、布洛赫模组成的光子模式和表面等离激元模式的激发,以及两者的耦合的作用。其中,光子模式的激发又是psbtbt:pc71bm活性层增强的主要原因。此外,针对薄膜钙钛矿太阳能电池(具有100nm厚的钙钛矿层)存在长波段光吸收不充分的问题。提出了基于二维Ti O_2纳米碗和TiO_2纳米半球阵列的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。通过计算得到:光垂直入射,在350-800 nm波长范围内,基于TiO_2纳米碗的PSC,活性层总吸收效率达65.7%,而基于TiO_2纳米半球PSC活性层的总吸收效率达64.8%,相较于平板结构分别提高了18.4%和16.8%,相当于300 nm厚钙钛矿层吸收效率的90%左右。并且,两种器件都具有广角吸收特性,详细的场分布研究表明,在长波段光吸收的显著增强归因于多种光子模式、表面等离激元模式的激发及其相互耦合作用。
[Abstract]:A thin - film solar cell based on two - dimensional trapping structure has been widely used in the research and development of high - efficiency thin - film solar cells .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.42

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