基于光栅结构和金属表面等离子体效应的太阳能电池结构的优化设计

摘要

太阳能电池通过利用光电效应使光能转换成电能，是目前缓解能源紧缺问题、产生绿色新能源的主要方法。然而，太阳能电池的光电转换率过低和生产成本过高成为限制太阳能电池广泛使用的最大瓶颈。现阶段对于太阳能电池的研究归结为以下两方面：一是通过研究和开发新型太阳能电池材料以提高光电转换率；二是在现有材料的基础上，通过设计太阳能电池窗口层、吸收层和背反层结构，来提高太阳能电池的光电转换率及性价比。
　　本文主要对太阳能电池吸收层的结构进行设计与优化，研究内容分为两大部分：
　　(1)在碲化镉吸收层设计多种光栅结构，通过计算太阳能电池的吸收率，对光栅填充比和刻槽深度进行优化，设计出新型的单、双填充比矩形光栅结构，并运用有限元法对其在250nm~1000nm太阳光波长范围内的吸收率进行了研究。结果表明：相比于平板型结构，单填充比和双填充比矩形光栅结构的光吸收率均有较大的提高。双填充比矩形光栅在整个可见光范围内的吸收率整体得到提高，其对可见光的平均吸收率相比于平板型至少提高10％。可见通过设计太阳能电池吸收层的结构，入射光在光栅内的随机反射增大了光在太阳能电池中的作用时间和传播距离，大大提高了太阳能电池的光电转换率。
　　(2)在砷化镓光栅结构中加入金属纳米颗粒，利用金属粒子与介质接触面形成的表面等离子体效应，将太阳光高度局域在砷化镓光电转换层内，以提高太阳能电池的吸收效率。通过对不同形状（矩形、三角形和球形）和尺寸的金(Au)纳米颗粒填充时太阳能电池吸收率的研究和分析，发现在入射波长为250nm~450nm波段，三种结构的吸收率基本相同；在450nm~750nm波长范围内，球形结构对应的吸收率最大，矩形结构对应的吸收率最低，三角形结构的吸收率处于矩形和球形结构之间；在750nm~1000nm波长范围内，三种结构对应的吸收率情况变化不一，其中矩形结构的平均吸收率大于三角形和球形结构。对于三种不同形状的金纳米颗粒，在太阳光光谱的可见光波段，总体来看球形金纳米颗粒对应的平均吸收率要高于矩形和三角形的金纳米颗粒结构。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1太阳能电池概述

1.2太阳能电池的分类

1.3金属等离子体对太阳能电池的影响

1.4课题的主要研究内容

1.5本文架构

2 太阳能电池基本理论

2.1光谱照度与太阳辐射

2.2光照下的半导体PN结

2.3太阳能电池的U-I特性曲线

2.4光照下的半导体PN结

3 金属表面等离子体理论基础

3.1表面等离子体激元（surface plasmon polaritons，SPP）

3.2局域表面等离子体（localized surface plasmons，LSP）

3.3表面等离子体增强光吸收的模式

3.4表面等离子体在太阳能电池中的应用

4 基于光栅结构的碲化镉太阳能电池吸收特性的研究

4.1太阳能电池结构模型

4.2吸收层模型的有限元法（FEM）分析

4.3数值模拟及分析

5基于金属表面等离子体效应的砷化镓太阳能电池吸收特性的研究

5.1金纳米矩形颗粒结构的设计与优化

5.2金纳米三角形颗粒结构的研究与优化

5.3金纳米球形颗粒结构的研究与优化

5.4 不同形状金纳米颗粒的吸收率比较

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

在校期间参加课题和发表学术论文

致谢