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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 太阳能电池概述

1．2 光子晶体在太阳能电池上的应用

1．2．1 一维光子晶体电池结构

1．2．2 二维光子晶体电池结构

1．2．3 三维光子晶体电池结构

1．2．4 光子晶体反射层电池

1．2．5 光子晶体吸收转换层电池

1．2．6 光子晶体窗口层电池

1．3 本文架构

2 光子晶体太阳能电池的理论基础

2．1 光子晶体带隙的应用及计算

2．2 严格耦合波理论

2．2．1 一维光子晶体模型

2．2．2 严格耦合波的matlab程序可靠性验证

3 基于光栅结构的非晶硅吸收层的吸收特性研究

3．1 电池模型

3．2 吸收效率分析

3．2．1 平坦结构与光栅结构对比

3．2．2 光栅刻槽深度对吸收影响

3．2．3 平坦吸收层与光栅吸收层角度依赖性对比

3．3 吸收层电场分布图

3．4 结论

4 基于光栅结构的砷化镓吸收层的吸收特性研究

4．1 模型和计算方法

4．2 数值模拟与分析

4．2．1 一维矩形光栅吸收层的吸收增强

4．2．2 刻槽深度对吸收效率的影响

4．2．3 三角形光栅吸收层吸收特性分析

4．3 光栅结构吸收层的角度依赖性分析

4．4 电磁场分布特性

4．5 结论

5 一维光子晶体背反层太阳能电池的研究

5．1 问题分析

5．2 理论建模与数值分析

6 论文总结与展望

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