金属纳米等离子体增强硅薄膜太阳能电池光吸收

【摘要】：传统的太阳能电池面临的两大突出问题就是降低太阳能电池成本和提高太阳能电池的光电转换效率，目前商品化的太阳能电池主要以硅材料为主，硅基太阳能电池占现在太阳能电池市场的80%。而传统的单晶硅太阳能电池厚度大约在180-300m，而硅薄膜太阳能电池只有几微米，大大减少了硅材料的消耗从而降低了太阳能电池的成本，但是Si材料厚度的减小会降低Si薄膜太阳能电池的光电转换效率，最新的研究表明，利用金属等离子体的光散射和局域等离共振产生的场增强光聚集作用可以有效的提高硅薄膜太阳能电池的光吸收，本文分别进行了以下研究： 1.为了研究金属纳米颗粒增强硅薄膜太阳能电池，首先利用时域有限差分FDTD方法计算分析了球形，方形，金字塔形三种形状金属Ag纳米颗粒的局域等离共振的消光特性，并发现通过调节硅表面金属纳米颗粒形状和大小，表面SiO_2钝化层厚度对于硅薄层的光吸收都有影响，并发现调节纳米颗粒的粒径大小，可以使硅层的光吸收谱红移，提高红外波段的光吸收。 2.借助于金属纳米颗粒对于硅层光吸收谱的研究，首先设计了上表面球纳米列阵下表面方形纳米列阵硅薄膜太阳能电池结构，计算发现球粒径和方形颗粒边长可以影响太阳能电池的光吸收，通过优化太阳能电池的结构参数，可以实现的光吸收效率增强。 3.利用二维亚波长光栅的减反和光衍射作用，本文进一步提出了一种亚波长凹面光栅和金属纳米等离颗粒结合的薄膜太阳能电池结构，理论分析表明：这种二维表面凹槽周期结构可有效降低太阳光表面的反射系数，特别是通过调节半圆形凹槽的半径，可改变表面反射系数。并讨论了入射光偏振角度对于光吸收的影响，通过调节薄膜太阳能电池的参数，实现在300-1000nm太阳光谱宽波段的光吸收增强，尤其是在700-900nm的长波段有明显的吸收增强，有明显的吸收提高作用。 【关键词】：硅薄膜太阳能电池 金属纳米等离子体 光吸收增强 亚波长凹面光栅
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题的研究背景和研究的目的意义9-10
• 1.1.1 课题的研究背景9-10
• 1.1.2 课题研究的目的和意义10
• 1.2 国内外研究进展10-15
• 1.2.1 太阳能电池的工作原理10-11
• 1.2.2 太阳光谱下硅薄层的光吸收11-12
• 1.2.3 金属等离子体提高薄膜太阳能电池12-15
• 1.3 课题的主要研究内容15-17
• 第2章 光电转换原理和金属等离子体理论17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 太阳能电池理论知识17-19
• 2.3 时域有限差分算法19-21
• 2.4 局域等离共振物理模型21-23
• 2.5 表面等离子体波(SPP)23-25
• 2.6 表面亚波长光栅结构25-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第3章 金属纳米颗粒对于硅光吸收的作用27-38
• 3.1 引言27
• 3.2 不同形状的金属 Ag 纳米粒子的消光特性和散射场27-31
• 3.3 不同形状和粒径周期排列 Ag 纳米粒子对于硅光吸收的影响31-35
• 3.4 球形纳米颗粒列阵改变周期对于硅薄膜吸收的影响35-36
• 3.5 SiO_2钝化层的选取36-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第4章 金属纳米等离子体增强太阳能电池光吸收38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 上下表面具有 Ag 纳米颗粒阵列的太阳能电池单元38-44
• 4.3 二维亚波长光栅增强硅薄膜光吸收44-49
• 4.4 本章小结49-50
• 结论50-51
• 参考文献51-55
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果55-57
• 致谢57

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