基于光子晶体的太阳能电池高效背反射器的研究

摘要

薄膜太阳能电池的出现大大降低了太阳能电池的生产成本，但其光电转化效率明显低于传统太阳能电池。这是由于薄膜太阳能电池在大幅度减小电池厚度的同时，其过薄的吸收层严重降低了电池对长波长入射光的捕获效率。为了提高薄膜太阳能电池对长波长入射光的捕获效率，可在电池吸收层背部增加一个背反射器。本文主要采用一维光子晶体和双层二维光子晶体结构来提高太阳能电池对长波长入射光的捕获效率。 利用传输矩阵法对一维光子晶体的光子禁带进行计算，分析一维光子晶体介质折射率比值、周期层数以及中心波长对光子禁带的影响，最终选取了合适的参数值使一维光子晶体对600~1100nm的入射光的反射率大于0.99。 为提高太阳能电池的光捕获效率，设计了一种由一维光子晶体和双层二维光子晶体组成的用于非晶硅薄膜太阳能电池的高效背反射器。将一维光子晶体高反射率和二维光子晶体大倾角反射的光学特性结合起来，大幅度延长入射光在电池吸收层的传播路径，提高太阳能电池的光捕获效率。采用 CST微波工作室对具有一维和双层二维光子晶体背反射器的非晶硅薄膜太阳能电池反射和透射系数进行仿真，并计算出电池的短路电流密度以及总吸收效率。通过对比不同背反射器结构参数电池的短路电流密度与总吸收效率，选取最佳的一维和双层二维光子晶体背反射器结构参数。将具有一维和双层二维光子晶体背反射器的非晶硅薄膜太阳能电池的性能与没有背反射器、具有金属Ag背反射器和具有一维光子晶体背反射器的非晶硅薄膜太阳能电池的性能进行对比。结果表明：一维和双层二维光子晶体背反射器非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度较没有背反射器、金属Ag背反射器以及一维光子晶体背反射器电池分别提高了77.9%、51.0%和50.1%，总吸收效率分别提高了30%、23.33%和23.28%。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景

§1.2 太阳能电池的发展现状

§1.3光子晶体简介

§1.4太阳能电池背反射器

§1.5课题研究的主要内容、意义

§1.6论文内容安排

第二章 光子晶体研究的数值方法

§2.1光子晶体的理论模型

§2.2平面波展开法

§2.3传输矩阵法

§2.4时域有限差分法

§2.4本章小结

第三章 一维光子晶体背反射器的设计

§3.1 一维光子晶体背反射器的结构模型

§3.2 一维光子晶体背反射器的特性研究

§3.3 本章小结

第四章 非晶硅薄膜太阳能电池光子晶体背反射器的设计

§4.1 光子晶体背反射器结构模型设计

§4.2 二维光子晶体的特性研究

§4.3 数值模拟与分析

§4.4电场和磁场分布特性

§4.5本章小结

第五章 不同背反射器结构电池性能对比

§5.1 四种不同类型太阳能电池的结构模型

§5.2 分析与对比

§5.3 四种结构电池的电磁波能量分布

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 总结

§6.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果