基于光学微结构减小硅太阳能电池反射光损失的研究

摘要

随着科技的进步和人类社会的发展，人类对能源的需求也与日俱增，但由于传统能源储量有限和使用不合理，导致了人类社会正面临着能源危机和环境污染的挑战。在当前形势下，各国政府都在大力开发新能源以便缓解当前的危机，太阳能作为一种清洁的、可再生的、取之不尽用之不竭的能源受到各国政府的青睐。太阳能电池作为整个光伏产业的核心设备，因而对太阳能电池的研究与应用受到了各国政府的广泛关注。
　　 当光波经过两种折射率不同的材料分界面时就一定会发生光的反射，研究表明反射会产生不可避免的能量损耗。对于太阳能电池，随着反射不断增大，光电转化效率会急剧下降。本文结合近年来发展迅猛的微纳光学技术，在硅基板表面合理设计了各种光学微结构来减小硅太阳能电池表面的反射。本文所研究的基于周期性二维光学微结构减小硅太阳能电池光反射的方法，即具有结构简单，又具有低反射的优点。
　　 本文通过对光在介质分界面上的反射与透射特性的分析，根据麦克斯韦方程与边界条件推导出S偏振光和P偏振光在双层介质分界面上的菲涅耳公式，再推导出光强和能流的反射与透射率，接着研究了光垂直入射与斜入射的透射与反射特性。
　　 利用薄膜理论结合传输矩阵法推导出多层薄膜的反射率与透射率计算公式，并在此基础上设计了一维结构的单层与多层膜来降低硅基板表面的反射，仿真结果表明该新型微结构可有效减小硅基板表面光的反射，从而提高了硅太阳能电池的转换效率。
　　 利用周期性多层膜构造了一维光子晶体，通过利用光子禁带使整个光频落入光子晶体的通带内以便来减小硅基板的反射。仿真结果表明该一维光子晶体结构可在一定频率范围内降低了硅基板的反射。
　　 为了扩展整个光频段范围内的低反射特性，设计了一种由二维方柱周期阵列构成的纳米微粒结构，通过等效介质理论计算其基本参数。使用Meep仿真软件建立模型结构进行仿真，并与其他不同结构进行了对比，结果表明该光学微结构较其他结构能进一步减小硅基板的反射，实现了该结构在整个光频段的超低反射特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池的研究背景及意义

1．3 国内外太阳能电池的发展与现状

1．4 硅基太阳能电池的基本工作原理

1．6 本文的研究工作

第二章 分层介质中光波传输特性的研究

2．1 双层介质中光波的传输

2．1．1 基本理论

2．1．2 线偏振光的反射与透射特性

2．1．3 光强与能流的反射率与透射率

2．1．4 双层介质中光波传输特性的研究

2．2 多层介质中光波传输特性的研究

2．3 本章小结

第三章 基于一维薄膜微结构减小硅太阳能电池光反射的研究

3．1 硅基板反射的研究

3．2 单层膜减小硅基板光反射的研究

3．3 多层膜减小硅基板光反射的研究

3．4 周期性多层膜减小硅基板反射的研究

3．4．1 光子带隙的计算

3．4．2 光垂直入射的反射率

3．4．3 不同角度入射的反射特性

3．5 本章小结

第四章 基于周期性二维光学微结构减小硅太阳能电池光反射的研究

4．1 等效介质膜理论

4．1．1 方柱形粒子的高度对反射率的影响

4．1．2 方柱形粒子的占空比(f=W／T)对反射率的影响

4．1．3 设计参数的选取与模型的建立

4．2 仿真验证与对比分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的科研情况