宽带吸收及高效率热载流子太阳能电池

摘要

太阳能利用的方式主要包括太阳能光伏和太阳能光热转换两种方式，为了提高转换效率，两种转换方式都需要最大可能的吸收太阳光。表面等离激元(Surface Plasmons，SPs)是入射光与金属表面电子之间的强烈相互作用，在金属表面产生极强的电磁场，具有出色的光捕获和光控制的性能。本论文基于SPs效应，首先探讨基于微纳金属结构的宽带吸收器，然后基于微纳结构优良的宽带吸收特性以及有效的陷光机制，进一步探讨了热电子太阳能电池的设计与实现。 首先，我们提出了一种基于六角密集排布的碗状钨(W)纳米结构阵列的太阳光吸收器，利用时域有限差分方法建立了仿真模型并对器件结构进行了优化设计，讨论了其在0.4-2μm波段的光学特性。根据优化的结构参数，采用自组装方法制备出了六角紧密排布的碗状W纳米阵列，并溅射沉积了Ge和SiO2薄膜。实验结果表明，在400-800nm范围内几乎100％的光被这种复合纳米结构吸收，在800-2000nm范围内吸收翠有所下降，实现了对短波段的完美吸收，因此，该器件在太阳能光热转换领域具有广阔的潜在应用前景。 然后，我们设计了一种高效的热载流子光伏太阳能电池。局域的SPs可以通过菲辐射衰变成热载流子，目前，传统的基于半导体的光催化和光伏器件已经应用SPs来扩展其对亚带隙光子的响应，但是在此过程中辐射衰减是不可避免的并且不利于器件性能的提高。在这里，我们利用只具有非辐射衰减的传播的SPs来激发热电子，提出了一种特殊的金-二氧化钛纳米线阵列，每个纳米线顶部用纳米锥体覆盖。相邻的纳米锥在顶部形成渐宽的开口有利于有效地收集太阳光，而相邻纳米线底部形成的纳米缝隙支持传播的SPs从而允许光被整个结构充分的吸收。综合以上优势，几乎100％的可见光被非常薄的金膜吸收，并且在400-1170nm整个波长范围内吸收达73％，这一结果优于基于局部SPs的纳米锥电池，更不用说基于纳米线和平面结构的电池。因此，该器件展现了更好的光电转换性能，其短路电流密度为0.74mA/cm2，开路电压为0.41V。该工作证实了传播SPs的非辐射衰减在生成热载流子方面要优于局部SPs的辐射衰减，并且提供了一种将金属中的电子抽取转化成光电流的可能的方式。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1宽带吸收器件的研究现状

1．2热载流子光伏转换器件研究现状及进展

1．2．1研究背景与意义

1．2．2国内外研究现状及进展

1．3本论文主要工作及创新点

2基于碗状金属纳米结构的宽带太阳光吸收器件的研究

2．1数值仿真方法

2．2器件结构、优化设计与机理分析

2．3碗状纳米结构的制备

2．4实验样品的检测与讨论

2．5本章小结

3基于金-二氧化钛纳米线阵列的热载流子太阳能光伏电池

3．1金-二氧化钛纳米线阵列的太阳能电池结构与仿真方法

3．2金-二氧化钛纳米线阵列的太阳能电池光学特性

3．3金-二氧化钛纳米线阵列的太阳能电池电学特性

3．4本章小结

4总结

4．1本论文工作内容的总结

4．2对后续工作的展望

参考文献

作者简介