硅基薄膜太阳能电池近红外截止滤波器的优化设计与实验研究

摘要

硅基薄膜太阳能电池作为“第二代”光伏器件最具竞争力的角色之一，主要有以下几方面优点:无毒无污染、材料来源广泛、制备技术成熟等。近年来，商业化生产的光伏组件还是以硅基太阳能电池为主，主要分为晶体硅、薄膜硅两大类，由于原材料都是硅，故其工作带隙基本都在400～1100nm范围内，对于近红外波段的大部分低能光子不会被吸收用来产生电子空穴对，而且这部分近红外光具有很强的热辐射效应会产生大量热能，使电池的工作温度升高，进而降低了电池的输出功率。
　　鉴于以上原因，我们设计了一种近红外截止滤波器，在不影响太阳能电池正常工作波段透过率的前提下过滤掉近红外波。近年来，一维光子晶体以其结构简单、制备工艺比较完善且具有近似完全光子禁带的全向反射带，在理论和实验研究上都得到了研究人员的高度重视。本论文主要研究的就是如何用最简化的光子晶体结构设计该滤波器，在保证太阳能电池正常工作带隙不受影响的前提下，最大限度的提高近红外光谱截止带宽，具体模拟计算与实验过程如下:
　　第一部分我们利用传输矩阵法(Transfer Matrix Method，TMM)，研究均匀平面波透过多层膜结构的传输特性，然后使用MATLAB编写程序、调用TMM算法，设置光子晶体材料参数，进行理论模拟计算，最终得到在400～2000nm范围内的透射谱图，并分析光子晶体材料折射率、光子晶体周期数以及光子晶体晶格常数对结果的影响，得到最简单的一维光子晶体滤波器结构，其近似完全光学禁带为1051.6nm～1594.4nm。
　　第二部分为了验证我们理论设计的合理性、实用性，利用磁控溅射法制备出该滤波器结构，使用的仪器是Pecs682溅射镀膜仪。然后对样品进行表征，使用JSM～6510扫描电子显微镜扫描其横截面并使用lambda750紫外/可见光/近红外分光光度计测量400～2000nm光谱范围内透过率，最后与模拟计算的结果进行比较、分析，得出结论。
　　本文最后针对所设计的近红外截止滤波器在太阳能电池中的潜在的应用做理论上的解释、分析。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1． 研究背景

1．2． 太阳能电池产业的发展现状

1．3． 薄膜太阳能电池的研究现状

1．4． 论文主要研究内容

2．温度对太阳能电池及其组件的影响

2．1． 太阳能电池的基本原理

2．2． 硅基薄膜太阳能电池的温度上限

2．3．温度对太阳能电池参数的影响

2．3．1．短路电流

2．3．2．饱和暗电流

2．3．3．开路电压

2．3．4．输出功率

2．4． 本章小结

3．近红外截止滤波器的优化设计

3．1． 光子晶体在太阳能电池中的研究应用

3．2． 一维光子晶体算法研究

3．2．1．平面波展开法

3．2．2．时域有限差分法

3．2．3．传输矩阵法

3．3． 布洛赫波和带结构

3．4． 传输矩阵法计算多层膜结构的优缺点

3．5． 滤波器结构的编程模拟与优化

3．5．1．拓宽滤波器的禁带宽度

3．5．2．最终优化的滤波器结构

3．6． 本章小结

4．近红外截止滤波器的实验制备与检测

4．1．磁控溅射法

4．2． 实验样品、试剂及仪器介绍

4．3． 定标

4．4． 滤波器的实验制备

4．5． 滤波器的检测与分析

4．5．1．滤波器的横截面图

4．5．2．滤波器的透射谱图

4．6． 本章小结

5．结论与展望

致谢

参考文献

附录