等离激元结构在薄膜硅太阳能电池中的应用

【摘要】：随着能源使用的加剧,开发太阳能成为人类迫切需要的举措。硅半导体材料由于丰富性和无毒性,成为商用太阳能电池中的首选材料。由于硅材料的吸收长度远大于载流子扩散长度,导致光吸收和载流子收集成为两难。近年来,开发第二代薄膜硅太阳能电池受到了人们广泛关注。此外,薄膜存在着吸收率较低的情况,导致薄膜硅电池对太阳能的效率很低,因此,将表面等离激元结构引入薄膜硅太阳能电池,对于提高硅的光吸收率和增强电池的转换效率具有积极意义。 本文从理论出发,系统研究等离激元结构在薄膜硅太阳能电池中的应用,得到结果如下： 第一,我们将周期性的等离激元结构引入薄膜硅太阳能电池,揭示其对薄膜硅电池具有光吸收增强效应。首先,我们从二维结构入手,调控了周期一定的情况下金属结构层采用不同材料和厚度对于硅薄膜吸收的影响。然后,我们从实际情况出发,考虑同时利用横电模和横磁模偏振光的能量,在三维结构下对薄膜硅层表面引入的周期纳米金属结构进行数值模拟。通过研究表明,当金属结构周期改变时,薄膜硅的光吸收也发生改变,并且在增强波段表现为窄带增强。并且,随着周期加大,谱线的峰位数也在增加,说明增强模式数变大。 第二,我们首次将银纳米等离激元分形结构引入薄膜硅太阳能电池,揭示其对超薄硅电池具有宽带吸收和效率增强的效应。通过微观电场分布的研究,分形结构中多个基本单元使得系统中的腔模式和等离激元模式都得到了激发。其中的腔模式主要来自于横向和纵向的Fabry-Perot共振,同时,低阶和高阶的等离激元模式也在系统中得到了激发。在两种模式的共同作用下,硅薄膜的吸收谱线得到明显展宽。随后,为了表征增强效果,我们对太阳能电池的量子效率做了相应计算。通过计算效率,可以得到等离激元结构对薄膜硅太阳能电池的增强效果十分明显。最后,通过优化试验参数,调节分形结构的参数,我们可以进一步提高电池效率。 综上所述,本文通过理论计算研究了等离激元分形结构在薄膜硅太阳能电池中的应用。通过微观机制和场分布分析,我们可以深化等离激元结构对薄膜硅太阳能电池增强机制的认识。由于分形结构由多个基本单元组成,对于增加系统中的多带响应和宽带响应起到了良好效果,同时提高了薄膜硅太阳能电池的吸收率和量子效率。我们的研究为设计新型薄膜太阳能光伏器件提供了新的科学思路。 【关键词】：
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 太阳能电池简介10-11
• 1.2 太阳能电池工作原理及特性11-13
• 1.3 薄膜太阳能电池效率研究进展13-23
• 1.3.1 概述13-15
• 1.3.2 抑反射层提高薄膜太阳能电池效率15-16
• 1.3.3 光子晶体提高薄膜太阳能电池效率16-18
• 1.3.4 等离激元结构提高薄膜太阳能电池效率18-23
• 1.4 论文结构与研究目的23-25
• 参考文献25-28
• 第二章 周期金属微结构对硅薄膜光吸收的增强效应28-38
• 2.1 概述28-30
• 2.2 计算方法和吸收层选取30-31
• 2.3 二维周期金属结构增强硅薄膜光吸收31-34
• 2.3.1 金属材料选取31-33
• 2.3.2 结构层高度选取33-34
• 2.4 三维周期金属结构增强硅薄膜光吸收34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 参考文献37-38
• 第三章 等离激元分形结构增强超薄硅太阳能电池的宽带吸收38-51
• 3.1 分形简介38-39
• 3.2 等离激元分形结构设计39-40
• 3.3 基本单元结构的研究40-45
• 3.3.1 基本单元结构的反射40-42
• 3.3.2 光学模式的微观电场分布42-44
• 3.3.3 基本单元结构的吸收44-45
• 3.4 等离激元分形结构的宽带效应45-47
• 3.5 太阳能电池的效率与优化47-49
• 3.6 本章小结49-50
• 参考文献50-51
• 发表及待发表文章51-52
• 参加学术会议52-53
• 致谢53-55

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