二维光学微结构光反射特性的研究及其在硅基太阳能电池中的应用

【摘要】：随着人类社会的发展和科学技术的进步,人类对能源的依赖度越来越高。而人类目前使用的能源是化石能源如煤、天然气、石油等,这些能源都是不可再生能源。一方面,截至本世纪中叶,据估计全世界的能源消耗总量将比本世纪初的消耗总量预计增加一倍,能源枯竭的危机即将到来。另一方面,化石能源燃烧释放出大量温室气体和其他有毒气体,这对生态环境产生了严重的破坏。在当前形势下,世界各国都在致力于如何应对和解决人类社会面临的能源危机和生态环境污染问题。太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的装置,相对于即将消耗完的化石能源来说,由于其取之不尽、功率巨大、使用清洁安全、可就地取材,不受地理位置的影响等优点成为替代化石能源的首选。作为太阳能利用的最佳途径之太阳能电池的研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。而由于太阳能电池存在电学损失和光学损失,使得电池的光电转换效率受到限制。其中光学损失可以分为遮挡损失、表面反射损失以及电池材料的光谱效应损失。为提高太阳能电池的光电转换效率,针对太阳能电池存在的表面反射问题,本文立足硅基太阳能电池减小表面反射损耗,以便在理想的光频范围内获得低反射特性。论文的主要内容包括：1、在硅基太阳能电池的基本结构和工作原理的基础之上,对当前硅基太阳能电池抗反射层的研究背景进行介绍,探讨了传统抗反射层的优点与缺陷。并针对目前微细加工技术的现状,对二维光学微结构研究的发展与现状进行了介绍。在此基础上,介绍了最近几年新兴的将亚波长二维光学微结构应用于硅基太阳能电池表面减反射的研究与设计的方法。这为本文提供了课题研究背景。2、从经典电磁理论——麦克斯韦方程组出发,研究了介质中光波传输特性。通过分别对线偏振光在两层介质分界面和多层介质中的传输特性进行模拟计算和理论分析,为单层和多层减反射膜的设计与优化,提供理论基础。为了进一步减小反射、增强透射,紧接着介绍了等效介质膜理论和Mie散射理论。3、根据等效介质膜理论和Mie散射理论,研究了二维光学微结构的光反射特性。通过控制变量法,分别对影响二维光学微结构光反射特性的因素,即微结构材料、高度、占空比以及形貌进行详细研究。4、在确定硅为硅基太阳能电池表面抗反射微结构的材料的基础上,利用MEEP仿真软件分别对由方柱硅颗粒和球形硅颗粒构成的二维光学微结构进行仿真研究。研究表明：本文利用亚波长二维光学微结构表面良好的抗反射特性,在理想的光频范围内扩展了硅基太阳能电池的低反射特性,从而为二维光学微结构表面的设计和制造提供理论指导。 【关键词】：硅基太阳能电池 二维光学微结构 等效介质理论 Mie散射理论 低反射
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-11
• 1.2 硅基太阳能电池的基本结构与工作原理11-13
• 1.3 硅基太阳能电池抗反射层的研究背景13-15
• 1.4 二维光学微结构研究的发展与现状15-17
• 1.5 二维光学微结构在太阳能电池中的研究及意义17-18
• 1.6 本文的研究工作18-21
• 第二章 介质中光波传输特性的理论研究21-48
• 2.1 线偏振光在两种介质分界面处传输特性的理论研究21-33
• 2.1.1 由光疏介质入射光密介质时的传输特性27-30
• 2.1.2 由光密介质入射光疏介质时的传输特性30-33
• 2.2 线偏振光在多层介质膜中传输特性的理论研究33-38
• 2.2.1 多层介质膜的反射率和透射率33-34
• 2.2.2 典型多层减反射膜的理论设计34-38
• 2.3 等效介质膜理论38-44
• 2.3.1 一维光学微结构的理论分析38-41
• 2.3.2 二维光学微结构的理论分析41-44
• 2.4 Mie散射理论44-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第三章 二维光学微结构光反射特性的研究48-56
• 3.1 微结构材料对反射率的影响48-49
• 3.2 微结构参数对反射率的影响49-52
• 3.2.1 反射率随高度的变化50-51
• 3.2.2 反射率随占空比的变化51-52
• 3.3 微结构形貌对反射率的影响52-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 二维光学微结构减小硅基太阳能电池光反射的仿真研究56-70
• 4.1 抗反射结构材料的选择56-58
• 4.2 基于方柱颗粒减小硅基太阳能电池光反射的仿真研究58-62
• 4.2.1 微结构参数的设计58-59
• 4.2.2 结构模型的建立59
• 4.2.3 仿真验证与比较分析59-62
• 4.3 基于球型颗粒减小硅基太阳能电池光反射的仿真研究62-69
• 4.3.1 微结构参数设计的理论分析62-65
• 4.3.2 结构模型的建立65
• 4.3.3 仿真验证与比较分析65-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士期间的科研情况77

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