利用光学超材料提高CdTe/CdS薄膜光吸收的研究

摘要

超材料（Metamaterial）可以通过设计不同的结构单元来实现不同的电磁特性，是一种新型人工材料。通过设计超材料亚波长结构单元及尺寸，可以调控超材料的磁谐振特性，可以使其在一段波长范围的电磁场作用下都产生较强的局域场效应。以前学者利用超材料提高薄膜太阳能电池吸收层光的强吸收主要集中在微波波段或红外波段，对可见光波段太阳光的吸收增强研究较少。此外，他们设计的电池结构金属成分不连续，因此不能直接用来作太阳能电池的电极，实用性不高。鉴于此，本文设计了两种光栅超材料结构CdTe薄膜太阳能电池，并系统计算和分析了利用光栅超材料提高CdTe薄膜吸收可见光效率的原因。
　　本课题首先利用射频磁控溅射在低功率、高功率两种工艺参数下制备了CdS和CdTe薄膜，并对制备获得的薄膜进行了XRD、SEM性能和椭偏表征。基于实验和理论，分析了溅射功率和溅射气压对CdS和CdTe薄膜结晶性能、形貌结构的影响，并讨论了腐蚀对制备的CdTe薄膜性能的影响。接着利用电子束蒸镀制备了Ag薄膜，并对Ag薄膜进行了SEM和椭偏表征。
　　根据超材料电磁谐振理论基础，设计了单光栅超材料结构CdTe薄膜太阳能电池和双光栅超材料结构CdTe薄膜太阳能电池，然后运用软件仿真分别计算了光栅结构CdTe薄膜太阳能电池和传统结构CdTe薄膜太阳能电池的吸收层CdTe对500~900nm波段可见光的吸收效率，并作比较分析。论文分析了光栅宽度、光栅厚度以及CdTe厚度对单光栅超材料结构CdTe薄膜太阳能电池吸收层CdTe对500~900nm的可见光波段吸收率的影响，接着计算了双光栅超材料结构CdTe薄膜太阳能电池吸收层CdTe在不同光栅厚度、光栅周期以及CdTe厚度下对相同波段可见光太阳光的吸光效率。

目录

第1章 绪 论

1.1引言

1.2超材料

1.3 CdTe/CdS的基本性质

1.4 CdTe/CdS薄膜在CdTe薄膜太阳能电池中的应用

1.5超材料提高薄膜太阳能电池光吸收的研究现状

1.6本课题的研究意义及主要研究内容

第2章 实验及测试

2.1引言

2.2实验镀膜仪器

2.3测试仪器

2.4薄膜的制备过程

2.5本章小结

第3章 实验结果与讨论

3.1引言

3.2磁控溅射薄膜沉积影响因素的讨论

3.3溅射功率对CdS/CdTe薄膜结晶性能和形貌结构的影响

3.4化学腐蚀对CdTe薄膜结晶性能和形貌的影响

3.5 Ag薄膜的表征分析

3.6本章小结

第4章 光栅超材料提高CdTe薄膜光吸收的优化设计

4.1引言

4.2光栅超材料CdTe薄膜太阳能电池的设计基础

4.3单光栅超材料提高CdTe薄膜光吸收的数值仿真分析

4.4双光栅超材料提高CdTe薄膜光吸收的数值仿真分析

4.5单光栅和双光栅超材料提高CdTe薄膜光吸收仿真比较

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢