微纳二维多齿光栅提高太阳能电池光电转换性能的研究

摘要

太阳能薄膜电池因其体积小、能耗低、制作工艺相对简单而倍受关注。然而太阳能薄膜电池的半导体材料在带隙边缘的吸收率都不高，尤其是对于间接带隙的硅材料，这极大的影响了薄膜电池的光吸收效率。因此，增强太阳能薄膜电池的吸收效率对薄膜电池光电转换性能提升的有重要意义。鉴于此，论文在国家自然科学基金(11264031)，江西省青年科学基金重大项目(20143ACB21011)，江西省自然科学基金(20151BAB207054,20114BAB201019),南昌航空大学研究生创新基金及博士启动基金（YC2015042，EA201008232）资助下，主要围绕硅基微纳多齿谐振光栅，探索利用光栅衍射和谐振原理来实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收，以获得光电转换效率的显著提升。
　　论文主要研究内容如下：
　　（1）在太阳能薄膜电池硅有源层上面设计了一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器，理论分析表明，此器件在300～1200纳米宽谱范围内的透射效率能保持在95％以上，且入射角度在-40度到+40度范围内反射率能维持在5%以下，从而能获得了所需的总衍射带宽、角度谱和偏振特性。
　　（2）为了使得从上层光栅透射进入太阳能薄膜电池的光能被有效吸收，论文在有源层下底面设计了一种微纳多齿光栅反射镜，该反射镜在400-1200纳米波段范围内，入射角度±35度之后反射率达90%以上，该微纳多齿光栅反射镜能使得透射光再次反射回硅有源层而被吸收。
　　（3）为了能充分发挥上、下层光栅的作用，论文在硅太阳能电池有源层上下表面引入上述二维微纳多齿光栅，探索利用光栅衍射和谐振原理来实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收，以获得光电转换效率的显著提升。分析表明，当上层微纳多齿光栅结构高度为340纳米时，硅有源层平均吸收效率可达81.8%。由此可见，入射阳光在顶部和底部二维微纳多齿光栅的共同作用下，与太阳能电池硅吸收层相互作用的光程可大大增加，从而能有效的提高光电转换性能。

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及创新点

第2章 理论分析及平台简介

2.1 严格耦合波理论分析

2.2 计算平台简介

第3章 宽带微纳二维多齿光栅结构的研究

3.1 微纳多齿光栅理论分析

3.2一维微纳多齿光栅结构

3.3二维微纳多齿光栅陷波结构计算

3.4一种高效微纳多齿光栅反射镜

3.5总结

第4章 一种高效微纳多齿光栅提高薄膜电池光电转换性能研究

4.1 一种高效微纳多齿光栅结构

4.2 薄膜电池硅基有源层吸收效率的研究

4.3结论

第5章 工艺误差分析

5.1 制备工艺

5.2 工艺误差对上层光栅的影响

5.3工艺误差对下层光栅的影响

5.3 结论分析

第6章 成果总结及展望

6.1 成果总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢