基于光栅结构薄膜太阳能电池结构设计和优化

【摘要】：研究太阳能光伏发电,唯一的目的是提高转换效率并节约成本,使这个绿色能源真正在生活中普及。太阳能电池转换效率是目前制约太阳能电池应用普及的主要因素之一。目前提高太阳能电池效率的主要研究有以下几点:一是对太阳能电池材料的研究,通过研究新型材料更好的提高光电转换效率。二是对太阳能电池结构的研究,通过对其窗口层、吸收层以及背反层进行结构设计,提高太阳光谱范围光电转换效率。本文的研究主要是通过太阳能电池结构的设计来优化其光电转换效率:1:设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池,利用耦合波分析法对矩形光栅、双层矩形光栅和单周期双填充因子光栅结构吸收层在280~900nm入射波长范围内的吸收率进行了分析。在吸收层厚度一定的条件下,矩形光栅结构相比于平坦形吸收层在TE(横电)和TM(横磁)偏振光条件下的吸收率有较大的提高。通过对矩形光栅的结构分析,设计出双层矩形光栅及双填充因子光栅,其吸收效果更为明显。在TE偏振模式下,其对可见光在较大波长范围内比单层最优结构矩形光栅有更好的吸收率。理论计算结果表明,通过结构设计,增加光在吸收层的作用时间和距离,增强了吸收层对光的吸收率,进而提高了薄膜太阳能电池的光电转换效率。2:由于光栅结构具有带隙的特点,将其应用到薄膜太阳能电池背反层使透射到底部的光子完全反射,间接提高吸收层吸收率。通过仿真验证了背反层对吸收层吸收率的提高作用。 【关键词】：太阳能电池 耦合波理论 吸收光谱 光栅
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 发展太阳能电池的意义9-10
• 1.2 太阳能电池发展综述10-11
• 1.3 太阳能电池发电原理11-12
• 1.4 光子晶体结构在太阳能电池上的应用12-16
• 1.4.1 一维光子晶体13-14
• 1.4.2 二维光子晶体14-15
• 1.4.3 三维光子晶体15-16
• 1.5 Si材料太阳能电池16-17
• 1.5.1 单晶硅太阳能电池16-17
• 1.5.2 多晶硅太阳能电池17
• 1.6 薄膜太阳能电池17-18
• 1.7 本文研究的重点18-19
• 1.8 本文架构19-20
• 2 微纳结构太阳能电池理论基础20-29
• 2.1 电磁场理论20-21
• 2.1.1 麦克斯韦方程组20
• 2.1.2 赫姆霍兹方程20-21
• 2.2 严格耦合波分析方法21-22
• 2.3 严格耦合波方程推导22-29
• 2.3.1 TE波入射24-26
• 2.3.2 TM波入射26-29
• 3 基于光栅结构砷化镓吸收特性研究29-38
• 3.1 吸收层模型设计30
• 3.2 矩形光栅吸收层的数值模拟与分析30-37
• 3.2.1 吸收效率分析30-31
• 3.2.2 填充比对吸收效率影响31-33
• 3.2.3 光线入射角对吸收率的影响33-35
• 3.2.4 电磁场分布特性研究35-37
• 3.3 总结37-38
• 4 不同光栅结构吸收层的优化设计38-47
• 4.1 光栅结构填充比的优化38-39
• 4.2 光栅结构刻槽深度的优化39-40
• 4.3 光栅结构初步优化40-41
• 4.4 长波长高吸收率光栅结构的优化41-46
• 4.4.1 双填充比光栅结构电池优化43-44
• 4.4.2 双层光栅电池结构优化44-46
• 4.5 优化结构结果对比46
• 4.6 总结46-47
• 5 高反射率背反层光栅的应用47-50
• 5.1 底部反射层的设计与实现47-48
• 5.2 底部反射层对吸收层吸收率的增强作用48-49
• 5.3 总结49-50
• 6 总结与展望50-51
• 6.1 总结50
• 6.2 展望50-51
• 参考文献51-55
• 个人简历及在校期间参加课题和发表学术论文及成果55-56
• 致谢56

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