薄膜太阳能电池的二元光栅结构

【摘要】：薄膜太阳能电池具有材料用量少，结构灵活，易于规模化生产等优势，有着广阔的市场前景，一直是光伏技术的主要研究方向。由于薄膜太阳能电池的有源层较薄，难以实现对入射太阳光的充分吸收。在薄膜太阳能电池表面刻蚀光栅结构，利用光栅的衍射增加有源层的光传播距离，能有效提高薄膜太阳能电池的光电转化效率，目前人们主要采取在透明导电膜和硅基薄膜间刻蚀各种刻槽形貌的相位光栅结构，其工艺简单，实用性强，一直是人们研究的热点。 相位光栅刻槽形貌通常为矩形，但是这种光栅只能在某一波长附近具有较高的衍射效率。薄膜太阳能电池有很宽的工作波段，如何提高全波段光衍射效率，尤其是长波长区域的衍射效率。成为薄膜太阳电池光栅结构的一个重要研究内容。20世纪80年代中期出现的二元光学为解决上述问题提供了一个新的发展思路。二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。实验和计算结果均表明，三角形形貌光栅与常规矩形形貌光栅相比具有更高衍射效率，但其光栅中斜面刻蚀工艺不易于形成工业化生产。在二元光学技术中，光栅以台阶状轮廓来近似三角形光栅斜面，已形成了完整的设计方法和制作工艺。本文我们将二元光栅引入到薄膜太阳能电池的光栅结构中，对不同阶次二元光栅在可见和近红外波段的衍射效率进行研究。计算结果表明，二元光栅能够在整个波段具有高的衍射效率，将这种光栅结构应用于薄膜太阳能电池，能够进一步提高薄膜太阳能电池的转换效率。 论文提出了采用二元光栅结构提高太阳能薄膜衍射效率的技术方法。利用对透射率函数的傅立叶变换计算出垂直入射时二元光栅的衍射光场分布。研究了不同阶次二元光栅在可见和近红外波段的衍射零级光强和总衍射效率随波长变化的规律。以硅基太阳能薄膜为例，分别计算了普通相位光栅和二阶、三阶二元光栅衍射强度分布、随波长零级光强的变化规律以及衍射效率。结果表明，与普通相位光栅结构相比，二元光栅结构能够在较宽波段提高光衍射效率。 【关键词】：二元光栅 薄膜太阳能电池 衍射效率 MATLAB
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 用相位光栅设计薄膜太阳能电池的背景9-10
• 1.2 用相位光栅设计薄膜太阳能电池的方法10-11
• 1.3 本论文的主要研究内容11-12
• 1.4 本论文的特色与创新之处12-13
• 第二章 光栅标量衍射方法分析13-21
• 2.1 电磁场理论13-14
• 2.1.1 麦克斯韦方程组13
• 2.1.2 赫姆霍兹方程13-14
• 2.2 平面波的角谱14-17
• 2.2.1 角谱及其物理解释14-15
• 2.2.2 角谱的传播15-17
• 2.2.3 衍射屏对角谱的效应17
• 2.3 相位光栅的傅里叶变换17-21
• 第三章 光栅矢量衍射方法分析21-41
• 3.1 严格耦合波理论21-36
• 3.1.1 一维表面浮雕结构21-22
• 3.1.2 任意偏振入射光22-29
• 3.1.3 TE 偏振入射光29-33
• 3.1.4 TM 偏振入射光33-36
• 3.2 时域有限差分法的基本原理36-41
• 3.2.1 Maxwell 方程和 Yee 氏算法37-39
• 3.2.2 FDTD 的基本差分方程39-41
• 第四章 二元光栅41-49
• 4.1 相位光栅衍射特性的分析41-46
• 4.1.1 原理42-44
• 4.1.2 计算实例44-46
• 4.2 二元光栅的衍射效率46-49
• 第五章 薄膜太阳能电池二元光栅结构49-61
• 5.1 原理49-51
• 5.2 硅薄膜太阳能电池二元光栅设计实例51-61
• 5.2.1 薄膜太阳能电池采用普通光栅51-54
• 5.2.2 薄膜太阳能电池采用二元光栅54-61
• 结论61-63
• 参考文献63-69
• 致谢69-71
• 攻读硕士学位期间的研究成果71-72

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