太阳能光伏发电周期微结构制备及热辐射特性研究

【摘要】：随着经济的发展,能源日益匮乏的问题引起了人们的共同关注。尤其自2011年3月11日的日本福岛核泄露事故发生之后,世界各国将目光投向了新能源的开发上。太阳能是一种洁净的、自然再生能源,取之不尽,用之不竭,由于其广泛的存在并且能高效地转换为电能,太阳能热发电、太阳能热光伏电池、太阳能热电技术等引起了人们的特别关注。 在水利工程中,通过利用太阳能技术在枯水期可解决供电需求不足的问题；利用太阳能技术可解决农业灌溉或者偏远农村地区人口的饮提水问题。作为新能源的太阳能光伏发电系统,在水利建设中已得到了良好的应用。周期微结构表面是指在基体表面形成特征单元周期排列,具有反射、吸收和发射光谱特性,能够有效提高光谱的热辐射特性。而热光伏技术(thermo-photovoltaic, TPV)正是微结构热辐射特性控制的典型应用。本研究制备了金膜覆盖的微粒子周期排列结构,研究了周期构造对热辐射特性的影响。 1、周期结构的制备利用表面等离子体激元(SPPs)的原理,采用了经济、有效的自组装法制作了周期结构,并利用真空蒸发镀膜法制作金膜。 2、采用定向发射测定的实验,对制作完成的样品——镀有金薄膜的SiO2颗粒的周期排列结构进行测定,实验表明,在波长为5μm左右,产生共振波峰值,与理论计算得到的结果一致。垂直入射时,其发射率为最大,随着角度增加,峰值逐渐变缓变宽,除了样品的表面有缺陷以外,样品表面产生的波不仅有SPPs性质产生的,也有微腔效应产生的特定频率的波,还有各种程度的复合波一起产生。而出现在9μm处的第二峰值,被认为是由于SiO2的光学特性所引起。 3、基于RCWA原理,采用模拟软件DiffractMOD对周期微结构进行了模拟计算,结果表明,表面等离子体共振波长的位置与微粒周期的大小一致,且随着金膜厚度的增加,表面等离子体波长的峰值逐渐变缓,峰宽变宽,原因由于金膜厚度增加导致金膜表面电场紊乱。加入SiO2微粒后,球等离子体加强,产生了球-腔共振,SiO2微粒使得球壳内的介电常数增加,光子晶体的禁带短波区域会红移,因此导致峰值也产生红移。 4、研究表明,覆盖有金膜的周期微结构能有效地激发表面等离激元的发生,由于表面等离激元的共振现象,光的吸收率被提高。根据表面等离激元的强弱,可知道吸收率的大小,由此可以对热辐射特性起到控制作用。 【关键词】：表面等离子激元 周期结构 发射率 热辐射
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 符号说明9-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太阳能发电在水利工程中的应用11-12
• 1.3 本文研究目的和意义12
• 1.4 周期微结构热辐射的研究现状12-17
• 1.5 本文研究内容与方法17-18
• 第二章 微结构光学理论18-28
• 2.1 麦克斯韦方程18-21
• 2.2 表面等离子体21-25
• 2.2.1 表面等离子体的特性概述22-23
• 2.2.2 色散光系与激发方式23-25
• 2.3 微腔共振25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 周期微结构的设计与制备28-42
• 3.1 晶体的最密构造28-31
• 3.2 面心立方结构的带隙31-33
• 3.3 自组装制备光子晶体33-35
• 3.4 周期微结构的制作35-38
• 3.4.1 材料的选择35-36
• 3.4.2 二氧化硅胶体的制备36
• 3.4.3 自组装制作过程36-37
• 3.4.4 二氧化硅微粒阵列表征37-38
• 3.5 金属膜的制备38-41
• 3.5.1 材料的选择38
• 3.5.2 真空蒸镀法38-40
• 3.5.3 真空蒸镀法过程及结果40-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 热辐射特性的实验研究42-54
• 4.1 定向发射的工作原理及实验设备42-49
• 4.1.1 红外线42-43
• 4.1.2 FT-IR43-44
• 4.1.3 实验装置44-45
• 4.1.4 热辐射特性45-48
• 4.1.5 黑体校正48-49
• 4.2 实验结果与分析49-52
• 4.3 本章小结52-54
• 第五章 微结构辐射特性的数值模拟54-68
• 5.1 严格耦合波分析法54-57
• 5.2 计算模型57-58
• 5.3 周期结构的数值模拟58-60
• 5.4 数值解析结果与分析60-66
• 5.4.1 光滑金膜60-61
• 5.4.2 不同周期排列的金膜球壳61-63
• 5.4.3 金膜厚度对发射率的影响63
• 5.4.4 球壳表面的电场分析63-65
• 5.4.5 覆盖有金膜二氧化硅微粒的模拟65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-77

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