硅基薄膜太阳能电池光吸收增强理论研究

摘要

对于高效的薄膜太阳能电池，陷光结构成为一个不可缺少的元素，它可以延长光在吸收层中传播的光程，从而增强太阳能电池对光的吸收。实际的太阳能电池材料吸收能力不同，直接导致对应的陷光结构不同。为了获得最佳的陷光结构，需要从理论上对太阳能电池吸收极限进行分析，为设计合适的陷光结构提供理论依据。本文针对目前太阳能电池中弱吸收材料和强吸收材料的特性，分别采用了不同的理论来分析电池内部吸收情况，提出了对应的陷光结构。主要内容如下：
　　针对弱吸收材料，采用耦合导波模式理论分析了由于电池导波模式与入射光耦合引起的吸收极限，对不同陷光结构的吸收增强极限进行了理论分析和比较，总结出陷光结构的设计原则，并设计出最佳陷光结构。通过严格耦合波分析法（RCWA）模拟该陷光结构对晶体硅材料太阳能电池在600 nm到1100nm长波段内的吸收增强，验证了这个陷光结构有效性。
　　针对强吸收材料吸收增强问题，用耦合泄漏模式共振理论方法（CLMT）对非晶硅和砷化镓强吸收材料的吸收增强及晶体硅材料在短波段的吸收进行了研究，分析了材料的折射率与泄漏模式共振的辐射损失率之间的关系，提出了针对强吸收材料吸收增强陷光结构的设计原则。设计了针对强吸收材料吸收增强的陷光结构。
　　最后，结合了针对弱吸收材料和强吸收材料吸收增强的陷光结构设计原则，提出了针对整个太阳光谱的陷光结构有效折射率的设计原则。对于晶体硅基薄膜太阳能电池吸收增强设计出了两个满足该原则的最佳陷光结构：金字塔型和圆锥型陷光结构。这两个陷光结构使得硅基薄膜太阳能电池在整个太阳光谱范围300 nm到1100nm内的光吸收都是接近于理论吸收极限。而且，对入射光的角度并不敏感，在大角度范围0°到70°内都能够很好地吸收入射光。

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第一章 绪 论

1. 1研究背景和意义

1. 2本论文主要工作安排

第二章 耦合模式理论在太阳能电池中的应用

2. 1导波模式和泄漏模式

2. 2耦合模式方程

2. 3耦合导波模式理论应用于分析弱吸收材料

2. 4耦合泄漏模式理论应用于分析强吸收材料

2. 5本章小结

第三章 弱吸收材料的吸收增强研究

3. 1一维陷光结构

3. 2二维陷光结构

3. 3陷光结构的设计

3. 4本章小结

第四章 强吸收材料的吸收增强研究

4. 1泄漏模式本征值分析

4. 2非晶硅太阳能电池吸收增强分析

4. 3砷化镓太阳能电池吸收增强分析

4. 4晶体硅太阳能电池吸收增强分析

4. 5陷光结构的设计

4. 6本章小结

第五章 陷光结构的设计新方法

5. 1有效折射率法

5. 2金字塔型陷光结构

5. 3圆锥型陷光结构

5. 4本章小结

第六章 总结与展望

6. 1论文工作总结

6. 2研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果