硅基太阳能电池的减反微结构设计与电学特性仿真研究

【摘要】：能源短缺和环境恶化问题正日趋严重地影响着人类社会的持续性发展。如能高效利用清洁的可再生能源太阳能,则人类完全有可能在不破坏自然环境的前提下满足自身发展对能源的需求。光伏能源产业已成为世界上发展速度最快的产业之一,而太阳能电池是光伏技术中最核心的部件。硅基太阳能电池凭借其性能稳定、效率较高、原材料丰富等诸多优点,在太阳能电池市场中占据着主导地位,因此提高硅基太阳能电池的转换效率具有重要意义。光学损失与电学损失是影响硅基太阳能电池效率的两大主要原因,本文从这两个角度出发分别展开研究工作。针对硅基太阳能电池前表面的光学损失,本文首先采用时域有限差分法(FDTD)对电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性进行了研究,分析了抛物锥阵列的高度、底面占空比、周期等参数对其抗反射性能的影响。研究表明,反射率随底面占空比、高度的增大而减小;当周期远小于波长时,周期的变化对反射率影响很小,但当周期大于某一临界值时,结构的减反性能会受到较大影响。在锥高600nm且抛物锥底面直径等于周期的情况下,锥底面直径分别取128nm,160nm,213nm,256nm,320nm时,微结构在硅的响应光谱300~1200nm内均能获得低于3%的反射率。其次,在以上工作基础上提出了三种优化结构,分别为:六边形排列抛物锥阵列结构、大抛物锥阵列与小圆锥阵列相结合的复合结构、大抛物锥阵列与小抛物锥阵列相结合的复合结构。优化结构将硅在响应光谱波段内的反射率进一步降低至1%左右,并且在斜入射的情况下减反效果也较为优异,较好地实现了宽波段、大角度入射的减反射性能,为硅基太阳能电池抗反射表面的设计提供了一种新的思路。针对硅基太阳能电池的电学损失,本文利用PC1D软件仿真计算了掺杂浓度、反射率、串联电阻等参数对太阳能电池性能的影响,并分析了相关原因。在此基础上对单晶硅太阳能电池的参数进行了优化设计,最终将单晶硅太阳能电池的转换效率由17.29%提高到了22.14%。 【关键词】：减反射 时域有限差分法 抛物锥 太阳能电池 转换效率
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.41
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究意义10-11
• 1.2 太阳能电池的发展历程11-12
• 1.3 太阳能电池的分类及特点12-14
• 1.4 提高硅基太阳能电池效率的方法14-17
• 1.4.1 硅基太阳能电池的地位14-15
• 1.4.2 硅基太阳能电池的损失机制及优化措施15-17
• 1.5 论文内容安排17-18
• 第二章 太阳能电池的物理基础18-34
• 2.1 太阳能电池的工作原理18-19
• 2.2 太阳能电池的等效电路19-21
• 2.2.1 理想太阳能电池的等效电路19-20
• 2.2.2 实际太阳能电池的等效电路20-21
• 2.3 表征太阳能电池性能的主要参数21-24
• 2.4 载流子的产生、复合与输运24-33
• 2.4.1 载流子的产生24-26
• 2.4.2 载流子的复合26-31
• 2.4.3 半导体输运方程组31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 研究方法及理论的介绍34-42
• 3.1 时域有限差分法(FDTD)34-37
• 3.1.1 FDTD原理34-37
• 3.1.2 空间步长和时间步长37
• 3.2 等效介质理论37-39
• 3.3 太阳能电池仿真软件PC1D39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 硅基太阳能电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性研究42-58
• 4.1 二维亚波长微结构的研究现状42-44
• 4.2 抛物锥阵列及其优化结构的FDTD模拟计算44-52
• 4.2.1 结构模型与参数设计44-45
• 4.2.2 结构参数对反射性能的影响45-48
• 4.2.3 结构的优化设计48-52
• 4.3 对模拟结果的分析52-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 硅基太阳能电池的电学特性仿真58-69
• 5.1 掺杂浓度的影响58-61
• 5.2 反射率的影响61-63
• 5.3 串联电阻的影响63-64
• 5.4 单晶硅太阳能电池的优化设计64-68
• 5.5 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 参考文献71-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他科研成果77

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