基于FDTD算法的周期结构薄膜太阳能电池吸光效率的研究

摘要

目前商品化的传统太阳能电池材料主要以硅为主，厚度大约在180-300微米，但是在制作此种电池的过程中会损失很大一部分硅锭，此种损失无形中提高了太阳能电池的生产成本，而薄膜太阳能电池的厚度却只有1-2微米，硅使用量的减少降低了电池的生产成本。但是由于硅材料的减少使得薄膜太阳能电池的光吸收效率降低，因此如何提高薄膜太阳能电池的吸光效率成为当下的研究热点，本文分别进行了以下研究:
　　1.以时域有限差分算法(FDTD)为基本研究方法，基于Floquent定理，推导了二维金属色散介质和一维周期边界条件的FDTD迭代式并验证其正确性，为分析带有一维周期性结构的二维新型薄膜太阳能电池的吸光效率提供可行性基础;推导了三维金属色散介质和二维周期边界条件的FDTD迭代式，并验证其正确性，为后期研究拥有二维周期结构的三维模型提供可行性基础。
　　2.设计了一款具有一维周期结构的双光栅薄膜太阳能电池，并应用结合周期边界条件(PBC)的时域有限差分(FDTD)算法仿真计算了此款太阳能电池的吸光效率，结果表明由于上光栅的存在，使得近紫外区和大部分可见光区域的光吸收效率得到了有效提高，由于下光栅的存在，使得近红外区域的光吸收效率得到有效提高;研究还发现通过优化上下光栅沟槽深度、光栅的沟槽宽度以及下光栅材料可以提高薄膜太阳能电池的光吸收效率以及吸光带宽。
　　3.设计了一款具有一维周期结构的双层纳米颗粒薄膜太阳能电池，并应用结合周期边界条件(PBC)的时域有限差分(FDTD)算法仿真计算了此款薄膜太阳能电池的吸光效率，研究发现上层金属纳米颗粒对于近紫外区和可见光波段的光有更好的增强效果，下层纳米颗粒对于近红外波段的太阳光有较好的增强效果;研究发现通过优化上下层金属纳米颗粒尺寸、两层纳米颗粒间的距离以及纳米颗粒材料可以提高薄膜太阳能电池的吸光效率以及吸光带宽。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池陷光技术的发展

1．2．1 传统太阳能电池的陷光技术

1．2．2 薄膜太阳能电池的陷光技术

1．3 表面等离子体增强薄膜太阳能电池光吸收

1．3．1 表面等离子体简介

1．3．2 表面等离子体增强薄膜太阳能电池光吸收方式

1．3．3 国内外研究现状

1．4 本文内容安排

第二章 周期结构的FDTD算法

2．1 引言

2．2 FDTD算法

2．3 周期结构

2．4 Floquont定理

2．5 二维金属色散介质和一维周期边界的FDTD迭代式

2．5．1 二维金属色散介质的FDTD迭代式

2．5．2 一维周期边界的FDTD迭代式

2．5．3 数值验证

2．6 三维金属色散介质和二维周期边界的FDTD迭代式

2．6．1 三维金属色散介质的FDTD迭代式

2．6．2 二维周期边界的FDTD迭代式

2．6．3 数值验证

2．7 本章小结

第三章 周期结构双光栅薄膜太阳能电池吸光效率研究

3．1 引言

3．2 计算模型

3．3 仿真结果分析

3．3．1 上下光栅对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

3．3．2 上光栅沟槽深度对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

3．3．3 下光栅沟槽深度对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

3．3．4 光栅沟槽宽度对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

3．3．5 下光栅材料对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

3．4 本章小结

第四章 周期结构双层纳米颗粒薄膜太阳能电池吸光效率研究

4．1 引言

4．2 计算模型

4．3 仿真结果分析

4．3．1 上下层金属纳米颗粒对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

4．3．2 上层金属纳米颗粒尺寸对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

4．3．3 下层金属纳米颗粒尺寸对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

4．3．4 上下层纳米颗粒间距对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

4．3．5 金属纳米颗粒形状对薄膜太阳能电池吸光效率的影响

4．3．6 金属纳米颗粒材质对薄膜太阳能电池吸光的影响

4．4 本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其他科研情况