宽带吸波元件及其在太阳能相关器件中的应用

【摘要】：太阳能发电作为目前被广泛使用的太阳能利用方式,主要包括太阳能光伏发电和太阳能热发电,这两种发电方式都离不开对太阳光的吸收。为充分吸收太阳光,宽带吸波元件必不可少。利用人工电磁介质以及表面等离子体效应,能够很好地实现宽带吸波。本论文以基于人工电磁介质以及表面等离子体的宽带吸波器件为研究对象,探讨新型宽带吸波器件实现,及其在薄膜太阳能电池和太阳能热光伏系统中的应用。首先,我们在理论和实验上提出了两种新型宽带吸波器件,包括基于锥形同轴孔阵列的可见光吸波器以及基于多层人工电磁介质的宽带吸波器。对锥形同轴孔吸波器,理论上可得到覆盖300-900 nm波段的偏振不敏感的宽带吸收效果,平均吸收达0.9345,这源于同轴孔结构的强散射以及孔内缝隙表面等离子体的强局域性质。通过聚焦离子束制备样品,得到和理论较匹配结果；对多层人工电磁介质吸波器,利用其独特的双曲线色散关系实现偏振不敏感的超宽带吸收效果。在0.5-2.5 gm波段的理论吸收率均超过90%,实验样品测试结果很好地验证了宽带吸波理论和仿真设计方法。对以上两种吸波器,都通过将两个不同尺寸结构放置于同一周期内实现吸收谱的拓宽。接下来,我们在理论上探讨了一种能够改善薄膜太阳能电池性能的宽带吸波结构,提出了一种核壳纳米光栅非晶硅太阳能电池,并给出了一个最优化设计方案。我们开展了详细系统的光学特性分析,结果表明：太阳光进入我们结构中转变为水平传输的布洛赫波以及表面等离子体波,使得该结构具有超宽带、全方位且偏振不敏感的优良光学吸收性质,与传统平面结构相比,可显著提高光电流45%左右。最后,我们探讨了宽带吸波器件在太阳能热光伏系统中的应用,重点考察了光谱选择性调控,并设计出适用于该系统的选择性吸波器和选择性辐射器。我们同时在理论和实验上提出了一种基于棋盘状锗纳米方块阵列的选择性吸波器,利用锗纳米方块中强光学腔谐振效应以及谐振模式和相邻结构、底部钽基底之间的耦合,获得优异光谱选择性,实验结果很好地验证了理论设计。我们也对该选择性吸波器进行了热学分析,结果再次证明了光谱选择性的重要性；另一方面,我们理论上提出了一种基于钨核壳纳米小球结构的选择性辐射器。在该结构中,相邻小球缝隙中产生的较强光子相互作用、钨-二氧化硅-钨构成的Ω型纳米腔中出现的强局域光学模式以及底部缝隙纳米腔中出现的缝隙表面等离子体模式,是我们结构具有良好辐射选择性的主要原因,其整体选择效率比其他类似结构的选择效率高。 【关键词】：太阳能光伏 太阳能热光伏 吸波器件 人工电磁介质 表面等离子体 光谱选择性
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-31
• 1.1 太阳能发电技术12-20
• 1.1.1 太阳能光伏发电技术12-15
• 1.1.2 太阳能热发电技术15-20
• 1.2 宽带吸波器件的实现以及发展概状20-27
• 1.2.1 新型纳米技术发展现状20-25
• 1.2.2 基于人工电磁介质和表面等离子体的宽带吸波器件25-27
• 1.3 本论文的研究内容和创新点27-31
• 第2章 宽带吸波元件的仿真方法以及实验方法31-55
• 2.1 数值仿真方法31-37
• 2.1.1 电磁场数值计算方法：FDTD方法31-35
• 2.1.2 多物理场数值计算方法：FEM35-37
• 2.2 纳米结构制备工艺研究37-47
• 2.2.1 基于FIB的纳米加工技术38-41
• 2.2.2 基于EBL的纳米加工技术41-47
• 2.3 吸波器件光谱检测方法研究47-53
• 2.3.1 光谱分析方法48-49
• 2.3.2 自搭建基于显微镜系统的微区光谱检测系统49-53
• 2.4 本章小结53-55
• 第3章 新型宽带吸波元件研究55-81
• 3.1 基于锥形同轴孔阵列的宽带吸波元件55-67
• 3.1.1 结构及仿真方法55-57
• 3.1.2 单尺寸锥形同轴孔吸波器57-63
• 3.1.3 复合尺寸锥形同轴孔吸波器63-65
• 3.1.4 实验结果65-67
• 3.2 基于多层人工电磁介质的宽带吸波元件67-80
• 3.2.1 一维锥形光栅结构68-73
• 3.2.2 一维多尺寸锥形光栅结构的耦合73-77
• 3.2.3 二维金字塔结构的实现77-78
• 3.2.4 实验结果78-80
• 3.3 本章小结80-81
• 第4章 宽带吸波结构在薄膜太阳能电池中的应用81-95
• 4.1 结构及数值仿真方法82-85
• 4.2 仿真结果以及分析85-94
• 4.3 本章小结94-95
• 第5章 宽带吸波在太阳能热光伏中的应用95-123
• 5.1 基于棋盘状纳米方块阵列的选择性吸波元件95-108
• 5.1.1 结构和方法96-98
• 5.1.2 仿真结果和分析98-102
• 5.1.3 实验结果102-104
• 5.1.4 热学分析及讨论104-108
• 5.2 基于核壳纳米小球阵列的选择性辐射元件108-121
• 5.2.1 结构和仿真方法108-111
• 5.2.2 结果和讨论111-121
• 5.3 本章小结121-123
• 第6章 总结和展望123-126
• 参考文献126-136
• 作者简介136-137

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