基于光栅结构的高效太阳能电池设计研究

【摘要】：太阳能电池的捕光效率太低一直是制约太阳能电池发展的最大因素。针对这一难题,在第一代硅电池表面增加各种涂层,来增加光的捕获。在太阳能电池进化的过程中,新一代的太阳能电池总是应该具有更高的转换效率,更低的制造成本。薄膜太阳能电池的产生,使太阳能电池的制造成本大大降低,但是转换效率没有传统硅电池的高,这主要是因为对于长波长的光,其被吸收所要求的最小传播路径,远远大于薄膜电池的厚度,比如,在700nm的波长处,如被电池吸收,则光子在电池内传播路径要达5μm。而薄膜电池的厚度一般在1000nm之内,这就限制了薄膜电池对长波长光的吸收。本文中,将采用光栅结构来增加太阳能电池对长波长光的捕光效率。本文的研究内容包括： 1)设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池,利用严格耦合波方法对矩形光栅和三角形光栅结构砷化镓吸收层在300nm-900nm入射波长范围内的吸收效率进行分析。结果表明：相比于平坦吸收层,两种光栅结构在TE和TM偏振光条件下吸收效率均有提高,峰值吸收率可提高55.9%。并对矩形光栅、三角形光栅结构参数进行了优化设计,对两种光栅吸收层的角度依赖性做了分析,得出在填充比和厚度相同的情况下,正三角形光栅吸收层的角度依赖性最优。最后利用有限元法对入射光在电池吸收层的吸收增强效应进行理论模拟,通过与平坦结构吸收层的电场分布对比,可以直观地看出入射光在光栅结构吸收层的吸收增强效应。该研究结果为制备高效率、高性能太阳能电池结构提供了参考依据。 2)用光子晶体背部反射层替代传统的金属背部反射器,针对氢化非晶硅的吸收波长,通过特诊矩阵法计算并优化光子晶体背部反射层的带隙结构,结果证明,当光子晶体周期数为5时,其第一禁带正好与氢化非晶硅可见光的吸收范围匹配。从而达到对此电池吸收波长范围内的光的100%反射。比传统金属背部反射器提高了14%反射率。 【关键词】：太阳能电池 光子晶体 吸收效率 光栅
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 太阳能电池概述9-12
• 1.2 光子晶体在太阳能电池上的应用12-22
• 1.2.1 一维光子晶体电池结构12-14
• 1.2.2 二维光子晶体电池结构14-15
• 1.2.3 三维光子晶体电池结构15-18
• 1.2.4 光子晶体反射层电池18-20
• 1.2.5 光子晶体吸收转换层电池20-21
• 1.2.6 光子晶体窗口层电池21-22
• 1.3 本文架构22-23
• 2 光子晶体太阳能电池的理论基础23-36
• 2.1 光子晶体带隙的应用及计算23-25
• 2.2 严格耦合波理论25-36
• 2.2.1 一维光子晶体模型25-34
• 2.2.2 严格耦合波的matlab程序可靠性验证34-36
• 3 基于光栅结构的非晶硅吸收层的吸收特性研究36-43
• 3.1 电池模型37-38
• 3.2 吸收效率分析38-41
• 3.2.1 平坦结构与光栅结构对比38-39
• 3.2.2 纵深比和角度依赖性分析39-40
• 3.2.3 平坦吸收层与光栅吸收层角度依赖性对比40-41
• 3.3 吸收层电场分布图41-42
• 3.4 结论42-43
• 4 基于光栅结构的砷化镓吸收层的吸收特性研究43-52
• 4.1 模型和计算方法43
• 4.2 数值模拟与分析43-48
• 4.2.1 一维矩形光栅吸收层的吸收增强43-44
• 4.2.2 刻槽深度对吸收效率的影响44-45
• 4.2.3 三角形光栅吸收层吸收特性分析45-48
• 4.3 光栅结构吸收层的角度依赖性分析48-49
• 4.4 电磁场分布特性49-50
• 4.5 结论50-52
• 5 一维光子晶体背反层太阳能电池的研究52-56
• 5.1 问题分析52
• 5.2 理论建模与数值分析52-56
• 6 论文总结和展望56-57
• 6.1 总结56
• 6.2 展望56-57
• 参考文献57-62
• 在校期间参加课题和发表学术论文62-63
• 致谢63

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