高效多结锑化物热光伏电池的研究

【摘要】：随着新能源的迅速开发,对设计出效率高、重量轻的热光伏电池的要求变得非常迫切。作为最有发展前景的第三代电池:叠层热光伏电池[1][2][3],在高聚倍光下具有很高的效率、运行时所产生的噪声很小几乎可以忽略不计、由于无机械结构组成能够轻便的携带、组成热光伏系统的构造也很简单这对维修起来也比较方便、并且叠层电池在单位体积上发电功率比单结的要高等诸多优点[4]。为我们探讨多结热光伏电池打下了根基。随着对叠层热光伏电池的不断开发,我们发现阻碍叠层热光伏电池发展的主要原因有两个:一是材料的选择问题;二是多结热光伏电池失配的问题。针对这两个问题,本文通过用细致平衡理论解决了第一个选材问题,再结合串联电路原理以及模拟软件Silvaco TCAD解决了第二个问题。本文的主要研究内容如下:1.本文利用细致平衡理论模拟出理论上一个双结热光伏电池的理论效率,再结合已有的晶格常数与禁带宽度关系图,利用已有的知识设计了一个双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池,理论上该电池的效率为30%。采用Silvaco/Atlas软件进行实验仿真,模拟中选择的光谱为温度为2000K的黑体辐射,电池的默认温度为300K,得到了一个实际模拟的转换效率为26.66%。2.系统的模拟了单结Ga Sb热光伏电池、单结Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池、双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池。仿真中主要通过改变材料的厚度和浓度来优化器件的结构,从得出的数据中分析材料参数的变化对电池各项性能参数的影响,从而得了出一个最优的器件结构。3.在模拟双结热光伏电池的电流匹配时,主要采用的方法是串联电路的原理,分别从各个子电池中引出电极,来测量顶底电池的量子效率。通过优化各个子电池的厚度和浓度来得出各个子电池的电流值。最后通过对模拟的结果分析与讨论,得出一个最优的双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池结构,电池的各项性能参数如下:转换效率为26.6627%,开路电压为1.00166V,填充因子为0.778278,短路电流为31.2122m A/cm2。 【关键词】：细致平衡理论 双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池 Silvaco TCAD模拟软件 电流匹配
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 热光伏电池的种类10
• 1.3 单结热光伏电池的发展10-12
• 1.4 多结热光伏电池的发展12-13
• 1.5 论文主要研究工作13-15
• 2 多结热光伏电池的基本原理及概念15-25
• 2.1 单结热光伏电池的基本原理15-20
• 2.1.1 无光照下的PN能带图及伏安特性曲线15-16
• 2.1.2 光照下的PN能带图及伏安特性曲线16-18
• 2.1.3 热光伏电池的特性参数18-20
• 2.2 双结热光伏电池的基本原理20-22
• 2.2.1 基本原理20-21
• 2.2.2 热光伏电池的制备方法21-22
• 2.3 影响双结热光伏电池的因素22-25
• 2.3.1 寄生结和隧道结22
• 2.3.2 材料不兼容22-23
• 2.3.3 阴影效应23
• 2.3.4 电学限制23-25
• 3 细致平衡理论25-29
• 3.1 细致平衡理论的提出25-26
• 3.2 双结热光伏电池的效率计算26-29
• 3.2.1 光谱的选择26-27
• 3.2.2 实际效率模拟27-29
• 4 热光伏电池的模型及仿真分析29-65
• 4.1 SilvacoTCAD软件介绍29-36
• 4.1.1 ATLAS的简介29-32
• 4.1.2 物理基础32-33
• 4.1.3 有限元分析法33-34
• 4.1.4 材料参数计算34-36
• 4.2 单结Ga Sb热光伏电池的仿真36-44
• 4.2.1 顶底电池厚度的改变对电池性能的影响38-41
• 4.2.2 顶底电池浓度的改变对电池性能的影响41-44
• 4.2.3 综合上述仿真得到最优结果44
• 4.3 单结Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池的仿真44-53
• 4.3.1 底层电池厚度的改变对电池性能的影响46-50
• 4.3.2 底层电池浓度的改变对电池性能的影响50-53
• 4.3.3 综合上述仿真得到最优结果53
• 4.4 双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86热光伏电池的仿真53-61
• 4.4.1 隧道结的建立与仿真53-54
• 4.4.2 双结Ga Sb/Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86的模型建立54-56
• 4.4.3 双结电池的电流匹配56-61
• 4.5 结论61-65
• 5 总结与展望65-67
• 致谢67-69
• 参考文献69-71

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