光学调制结构对太阳能电池性能的影响

【摘要】：本论文首先简要的阐述了太阳能电池的研究背景和目前的研究现状,详细的分析了太阳电池的基本结构和原理,从电池结构出发对其性能进行优化,从不同角度提出了几种光学调制结构以期提高太阳能电池对光子的吸收效率,进而提高太阳电池的转换效率。首先,本论文中利用MEDICI软件对p-i-n结太阳电池各子层结构参数进行优化,分析影响电池性能的内在因素。得到了较优的结构参数,增透膜ITO厚度为0.06μm时透射率最大,p区的掺杂浓度为1E19电池特性最好,太阳电池的p区厚度0.01μm左右较为合适。在优化参数条件下电池的转换效率为18.9%左右。常规的硅太阳电池由于厚度小,入射进入电池体内的光子不能够充分的被电池吸收,并且,电池的自身优化始终是有限制的。因此设计了一维F-P结构的光子晶体即DBR结构作为太阳电池的背部反射器,因为光子晶体具有光子带隙,选择合适的结构参数,太阳光谱中能量分布较强的部分恰好在该DBR的禁带中,使得从电池吸收层透射的光能够被更有效的反射回吸收层进行二次吸收,提高有效吸收效率。本论文中应用二维TCAD仿真软件MEDICI设计了具有DBR结构的太阳电池,并对其性能进行了提取和分析,电池各个方面的特性都得到了明显提高,填充因子从0.842增加到0.852,同时转换效率从18.9%提高到20.52%,在普通p-i-n电池的基础上提高了8.56%。DBR结构的反射光谱区域分布受到结构参数(子层厚度,介电常数对比度)的影响,其光谱宽度有限,不能对所有太阳光都具有高的反射率。因此,本论文设计了双DBR结构,由两种具有不同结构参数的DBR组成,可将反射频谱的范围扩大,进一步提高光的反射范围,得到550nm~1400nm的宽反射光谱。使得电池的转换效率提高到21.02%,在普通p-i-n电池的基础上提高了11.2%。另外,当入射光被DBR反射后再次入射到有源层时,为了延长反射回来的光在有源层充分吸收,可以使反射光作发散的形式传播,这样可以有效的提高光子的吸收光程,本论文中设计了光栅结构,通过光栅的衍射效应提高二次入射的光程,从而有效提高光吸收效率和电池的能量转换效率。本文使用FDTD Solution软件仿真矩形光栅结构,研究光波经过光栅后的光强(或电场)变化情况,光强并没有被光栅所阻挡,而是呈现一定的倾斜角,这样可以有效的增加光子在电池中的吸收路径,以达到提高太阳电池的转换效率。 【关键词】：太阳电池 MEDICI DBR 反射频谱 光栅
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 研究背景7-10
• 1.2 太阳能电池的研究现状10-12
• 1.3 研究目标12
• 1.4 本论文的主要内容12-14
• 第二章 太阳电池结构14-34
• 2.1 太阳电池的基本原理14-18
• 2.1.1 光学吸收14-15
• 2.1.2 pn结太阳电池15-17
• 2.1.3 表征太阳电池的主要参数17-18
• 2.2 太阳电池特性的影响因素与提高效率的途径18-22
• 2.2.1 太阳能电池的特性的内在因素18-21
• 2.2.2 提高太阳能电池效率的途径21-22
• 2.3 二维TCAD仿真软件MEDICI介绍22-23
• 2.4 p-i-n太阳能电池23-33
• 2.4.1 基本结构与原理23-25
• 2.4.2 增透膜厚度特性的仿真25-28
• 2.4.3 掺杂浓度特性的仿真28-30
• 2.4.4 各子层厚度特性的仿真30-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 一维DBR反射镜提高太阳电池效率34-45
• 3.1 基本结构与原理34-35
• 3.2 DBR的反射率分析35-37
• 3.3 DBR的层数对反射率的影响的研究37-40
• 3.4 光子晶体对太阳电池效率的影响40-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 双DBR结构的研究45-52
• 4.1 双DBR结构的反射光谱的研究45-47
• 4.2 双DBR结构对太阳电池的影响47-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第五章 光栅散射效应对太阳电池的影响52-59
• 5.1 光栅模型与计算方法52-54
• 5.2 FDTD Solution简介54-55
• 5.3 矩形光栅的衍射特性55-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 本文的主要工作59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-64
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文64-65
• 致谢65

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