基于硅纳米结构的薄膜光伏技术研究

【摘要】：太阳能是一种取之不尽,用之不竭的清洁可再生能源。对太阳能的充分利用可以解决人类所面临的能源危机。然而,到目前为止,太阳能还不能取代传统的化石燃料,这是由于太阳能电池的制备成本太高且电池的效率太低所造成的。为了提高太阳能电池的光电转换能力并降低电池的造价,本文围绕基于纳米结构的太阳能电池进行了一系列工作。优化设计了薄膜硅纳米线太阳能电池结构参数。我们研究了具有不同结构参数的硅纳米线及硅纳米锥薄膜太阳能电池的光电响应性能,填充率、周期、长度等电池的结构参数能够极大的地影响电池的最终转换效率。对于带硅衬底和不带硅衬底的3μm厚的硅纳米线薄膜太阳能电池来说,它们的优化最终效率(ultimate conversion efficiency, UCE)分别达到24.07%及21.99%,相应的硅纳米锥太阳能电池的优化最终效率可以达到31.39%。基于多次反射效应、渐变折射率理论及导模耦合效应等模型,本文对所得到的计算结果进行了讨论。提出了一种新颖的基于平顶锥形纳米孔结构的薄膜太阳能电池,用以实现有效的光捕获。在优化参数之后,所得到的UCE为28.6%,此时吸收层的厚度仅为1μm。模拟的结果表明,本文提出的平顶锥形孔太阳能电池的转换效率超过了锥形纳米孔太阳能电池和纯纳米孔太阳能电池的转换效率。背表面的银纳米粒子在制备背反射的时候可以自动形成。本文系统研究了银纳米粒子的结构参数对电池转换效率的影响。经优化后,电池的UCE达到30.1%。提出并优化了一种新颖的双光子晶体薄膜太阳能电池。该种电池具有较强的光捕捉能力和较高的光电转换能力。我们通过自己定义的表达式,详细优化和讨论了吸收层前后表面纳米锥结构的最优形状。结果得出,当纳米锥为旋转抛物面形,且从空气到硅基板的折射率渐变特性为线性时,转换效率最高相应的的UCE达到30.3%,此时吸收层的厚度为2μm。本文还对顶部和底部的纳米锥分别进行了探究以寻找它们各自的最优形状,以及它们各自对光捕捉所做的贡献。同时,本文还探究了高度对最终转换效率的影响,结果表明,非共型结构具有更强的光捕捉能力。对于优化后的结构,其最终转换效率可以达到32.3%。利用相位恢复的方法,借助实验所得到的样品的反射谱线以及KK关系,得到并分析了不同类型的锥形纳米线阵列的光学参数及光学特性。硅纳米线阵列以及硅纳米线微米线混合阵列的有效折射率(n)和消光系数(K)可以利用KK关系计算得到。同时,利用样品的复介电常数与复折射率之间的关系,可以得到样品的复介电常数的实部(ε')和虚部(ε")。这项结果表明,通过实验处理可以调制纳米材料的材料特性(有效复折射率,有效复介电常数)。 【关键词】：薄膜太阳能电池 硅纳米线阵列 硅纳米孔阵列 光捕获效应 最终转换效率
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题背景与研究意义16-17
• 1.1.1 能源危机与太阳能16
• 1.1.2 太阳能电池简介16-17
• 1.2 基于纳米结构的太阳能电池17-24
• 1.2.1 基于硅纳米结构太阳能电池18-21
• 1.2.2 基于金属纳米结构的太阳能电池21-24
• 1.3 本文的主要工作24-25
• 1.4 本章小结25-26
• 第二章 硅纳米线太阳能电池的优化设计26-35
• 2.1 本章引言26
• 2.2 相关理论及模拟仿真26-28
• 2.3 模拟仿真的结果与讨论28-34
• 2.3.1 硅纳米线结构的优化结果28-32
• 2.3.2 硅纳米锥结构的优化结果32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 基于平顶锥形纳米孔结构的硅太阳能电池的研究35-45
• 3.1 本章引言35
• 3.2 相关理论及模拟仿真35-37
• 3.3 模拟仿真的结果与讨论37-44
• 3.3.1 对平顶锥形纳米孔结构的仿真37-40
• 3.3.2 对带有银背反射的锥形纳米孔结构的仿真40-41
• 3.3.3 带有银背反射和银纳米粒子的平顶锥形纳米孔结构的仿真41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 新型双光子晶体结构中的光捕捉效率的提升45-55
• 4.1 本章引言45
• 4.2 相关理论及模拟仿真45-47
• 4.3 模拟仿真的结果与讨论47-53
• 4.3.1 对纳米锥底端直径的优化47-48
• 4.3.2 对硅纳米锥形状的优化48-51
• 4.3.3 对纳米锥高度的优化51-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 利用KK关系测量不同形态的纳米锥阵列的光学参数55-61
• 5.1 本章引言55
• 5.2 实验制备55-56
• 5.3 实验结果与讨论56-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 全文总结61-62
• 6.2 研究展望62-63
• 参考文献63-71
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况71-72

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