数值模拟AAO纳米光栅对薄膜硅太阳能电池性能的提高

摘要

薄膜硅太阳能电池因为用量少成本低，应用非常广泛，但同时也面临着效率较低的难题。目前已见报道的硅薄膜太阳电池的最高效率约为15％，远低于体硅太阳电池的25％。原因在于，随着入射光波长的增加，相应的吸收系数迅速下降，吸收该波长光子所需的吸收长度大大增加，而薄膜电池厚度小，使得光子在电池中通过的路径大大缩短，相当一部分入射太阳光子在被吸收和转化为电子前即由电池直接逸出，而没有被充分利用，从而引出对这部分光利用方法的研究。
　　 提高光吸收对于薄膜硅太阳能电池一直是一个重要的课题，因为吸收系数的极限接近于红外光。在本文中，设计了一种新型的薄膜硅太阳能电池结构，P层，I层，N层的厚度分别是20nm，1000nm，20nm。引入了AAO作为纳米结构光栅，并且理论分析了这种结构的薄膜硅太阳能电池的最优AAO结构参数，即AAO厚度是78.6nm，孔半径为157.2nm，占空比为0.5。
　　 本文以基于FDTD的CST模拟仿真了带有AAO光栅的薄膜硅太阳能电池对光吸收效率的影响，对比分析了不同参数的AAO纳米结构光栅对光吸收的影响，得出了AAO作为薄膜硅的纳米光栅的最佳参数。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 薄膜硅太阳能电池的分类

1．2．1 单晶硅薄膜太阳能电池

1．2．2 多晶硅薄膜太阳能电池

1．2．3 非晶硅薄膜太阳能电池

1．3 薄膜硅太阳能电池的工作机理

1．3．1 非晶硅太阳能电池的吸收

1．3．2 晶体硅太阳能电池的吸收

1．4 薄膜硅太阳能电池的国内外研究现状

1．5 本论文的研究意义与内容

第二章 薄膜硅太阳能电池的光栅结构设计

2．1 光栅的分类以及制备

2．2 AAO作为阵列型圆孔光栅的理论分析

2．3 标准周期与准周期型AAO纳米光栅得到的理论分析

2．3．1 标准周期型AAO纳米光栅的理论分析

2．3．2 准周期型AAO纳米光栅的理论分析

2．3．3 标准周期、准周期AAO薄膜硅模型及与体硅模型的对比

2．4 光栅常数选取的设计

2．5 光栅占空比选取的设计

2．6 薄膜硅太阳能电池AAO纳米结构光栅的合成工艺

第三章 CST仿真的FDTD计算方法

3．1 FDTD计算方法的国内外研究现状

3．2 时域有限差分法FDTD的计算流程

3．2．1 时域有限差分法FDTD的元胞划分

3．2．2 FDTD中麦克斯韦旋度方程的离散

3．2．3 FDTD中场区的划分以及边界条件

3．2．4 FDTD解的数值稳定性问题

3．3 本章小结

第四章 带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池的CST仿真

4．1 基于FDTD的CST求解器

4．2 纳米光栅薄膜硅太阳能电池模型的建立

4．3 AAO纳米光栅薄膜硅太阳能电池的CST仿真结果与分析

4．3．1 AAO厚度对太阳能电池光吸收的影响

4．3．2 AAO孔径大小对太阳能电池光吸收的影响

4．3．3 AAO占空比大小对太阳能电池光吸收的影响

第五章 结论与展望

参考文献

在校期间论文发表情况

致谢