尖劈微结构阵列的抗反射效应及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：表面抗反射因为其广泛的应用受到人们的关注。本论文在抗反射领域文献调研的基础上,提出了几何尺度大于光波长的光学尖劈微结构,主要利用COMSOL Mutiphyscis软件有限元方法解麦克斯韦方程组,模拟研究了尖劈微结构的透反射性质,由此获得了尖劈结构的抗反射性能与尖劈的组成材料、结构参数等相关联的规律。同时,通过SiO2尖劈微结构从实验角度获得了与数值模拟一致的结果。 在此研究的基础上,基于太阳能电池中光捕获的需求,本论文提出将尖劈微结构引入染料敏化太阳能电池的二氧化钛薄膜中以提高其光利用效率的研究思想,通过模拟研究了尖劈微结构的作用及其光吸收与结构参数的关联和规律。具体研究内容如下： 1.系统地研究了尖劈微结构阵列的陷光性能。通过COMSOL Multiphysics有限元模拟,我们发现尖劈微结构能够在很宽的入射光波段和入射角范围内,将反射率和透射率抑制到非常低的水平,这说明了尖劈微结构有着良好的陷光性能。通过模拟,验证了尖劈结构内部多重反射效应的存在并解释了陷光性能的机理。 随后,通过改变衬底的材料,观察了折射率对尖劈微结构抗反射性能的影响。另外,我们设计了一种尖劈微结构的衍化结构,这一改变有效地增强了尖劈内部的多重反射效应。 在实验上,通过管道腐蚀的方法制作了尖劈微结构阵列,并测试其光学性能,其结果进一步证明了我们之间的结论。与此同时,通过引入扩散的模型,在一定程度上解释了玻璃纤维管道腐蚀机理。 2.我们将尖劈微结构阵列引入到染料敏化太阳能电池的二氧化钛薄膜中。通过COMSOL Multiphysics有限元模拟,将平面二氧化钛膜与带有尖劈微结构阵列的二氧化钛膜的透反射性能相比较,本论文发现尖劈微结构阵列能够极大地提高二氧化钛薄膜的光吸收率,该二氧化钛薄膜表现出优异的陷光效应。 同时,通过改变尖劈结构的高宽比和阵列的周期,我们发现尖劈阵列的结构参数对光散射性能有着重要的影响。另外,在入射光正向入射和背向入射的不同情况下,带有尖劈微结构阵列的二氧化钛薄膜的光散射效果也会有所差异。 【关键词】：抗反射 尖劈微结构阵列 多重反射 二氧化钛膜 太阳能电池
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-36
• 1.1 研究背景9
• 1.2 光学基本原理9-28
• 1.2.1 介质的光学参数与电学参数9-13
• 1.2.2 介质界面的反射与透射13-19
• 1.2.3 多层介质的反射与透射19-28
• 1.3 表面微结构抗反射的方式及研究现状28-31
• 1.3.1 单层膜28-29
• 1.3.2 多层膜29
• 1.3.3 亚波长微结构29-30
• 1.3.4 表面等离激元30-31
• 参考文献31-36
• 第二章 尖劈微结构阵列抗反射性能的研究36-64
• 2.1 引言36
• 2.2 模型的建立36-38
• 2.3 SiO_2尖劈微结构阵列宽波段抗反射及机理38-44
• 2.4 SiO_2尖劈微结构阵列广角度抗反射及机理44-45
• 2.5 其他材料尖劈微结构的光学性能模拟45-50
• 2.5.1 Ag尖劈微结构45-47
• 2.5.2 Si尖劈微结构47-50
• 2.6 尖劈微结构的衍化50-56
• 2.7 SiO_2尖劈微结构阵列抗反射的实验研究56-62
• 2.7.1 SiO_2尖劈微结构阵列的制备56
• 2.7.2 针尖状微结构的形成机理56-61
• 2.7.3 SiO_2针尖状微结构阵列的抗反射实验结果61-62
• 2.8 本章小结62-63
• 参考文献63-64
• 第三章 引入尖劈微结构阵列的染料敏化太阳能电池薄膜陷光性能研究64-79
• 3.1 引言64-66
• 3.2 模型的建立66-70
• 3.3 尖劈高宽比对薄膜光捕获性能的影响70-72
• 3.4 尖劈周期对薄膜光捕获性能的影响72-73
• 3.5 正面入射和背面入射对薄膜光捕获性能的影响73-75
• 3.6 本章小结75-77
• 参考文献77-79
• 第四章 结论与展望79-80
• 攻读硕士学位期间学术成果80-81
• 致谢81-82

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