衍射光栅及光子晶体在太阳电池中的应用研究

摘要

本文的研究工作主要是提高电池对光的吸收，即通过光学设计来增加电池对光的俘获。主要内容包括以下几个方面:
　　 利用勒让德多项式展开法和严格耦合波理论，对一维矩形光栅在可见～近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算，寻找到了合适的占空比、光栅深度和基底厚度，使得光栅的透射率在入射角为0～60°范围内、入射波长在400～1200nm范围内变化时，其透射率的变化相对稳定，透射率的平均值可达到96％以上。
　　 利用平面波展开法计算了一维光子晶体的带隙，得出当两种周期介质材料的折射率差值越大，出现的第一完全带隙越宽，反之越窄。算出对应的波段不能在光子晶体中传播的波长范围，利用光子晶体的这一特性，把它用来制作太阳电池的背反射层是很好的尝试。
　　 为了提高薄膜电池对光的高吸收，我用衍射光栅和一维光子晶体结构来增加电池的光俘获。设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于硅薄膜太阳电池的背部反射层，采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化和对400～1200nm范围入射电磁波的反射率进行了模拟计算，得出在一维光子晶体高反射率保证下，再利用衍射光栅的衍射，得到大倾角的反射光，高效的延长了光子在电池吸收体的传播路径，使其得到充分吸收。结果表明，衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以高效的，大倾角的，全方位的反射750～1100nm的光。这种结构的背反射层用作太阳电池的背反射器可以大大提高电池的捕光能力，从而提高太阳电池的转化效率。
　　 最后，提出了一种有增透膜和背反射层的非晶硅薄膜太阳电池结构，增透膜为折射率从低到高的4层介质材料组成，背反射层为三角形介质衍射光栅加一维光子晶体结构组成。利用严格耦合波理论和平面波展开法，对介质层厚度和光栅进行优化设计，数值计算了增透膜和背反射层在0～60°的反射效率。结果表明，增透膜在300～750nm有高透射，背反射层在600～750nm有高反射。对于活性层为700nm的非晶硅薄膜太阳电池，在入射波TM偏振下，经过优化的电池在300～750nm波长范围有平均95％的吸收。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 衍射光栅

1．2 光子晶体简介

1．3 太阳电池

1．4 光栅及光子晶体在太阳电池中的应用

1．5 课题的目的与意义

1．6 本文架构

第二章 光栅及光子晶体研究的数值方法

2．1 勒让德多项式展开法

2．2 严格耦合波理论

2．3 勒让德多项式展开法和严格耦合波理论比较

第三章 太阳电池增透膜的设计

3．1 介质增透膜

3．2 透射型光栅增透膜

第四章 硅薄膜太阳电池背反射层的设计

4．1 一维光子晶体的特性研究

4．2 三角形光栅的衍射特性

4．3 背反射层理论模型

4．4 介质膜光栅的数值分析

4．5 本章小结

第五章 一种增加单结非晶硅薄膜太阳电池光吸收的结构设计

5．1 结构设计

5．2 参数优化

5．3 仿真计算和讨论

5．4 结论

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及论文发表情况