利用二维陷光结构增加硅薄膜太阳能电池吸收的设计研究

摘要

亚波长光栅是结构尺寸小于光波长的光栅，具有减反射和偏振双折射效应;金属纳米结构可激发表面等离子体模式以增强电池吸收，同时减少总体积和有源层的厚度;光子晶体，一种折射率周期性变化的结构，利用其独特的色散关系会产生慢光效应。本文则根据亚波长结构及光子晶体的结构特性进行光学设计，实现薄膜太阳能电池的高吸收。
　　本文详细推导了二维严格耦合波方法，可严格求解亚波长结构的衍射效率及场分布，同时介绍了用于求解光子晶体能带结构的平面波展开法。
　　首先提出了两种可用于薄膜太阳能电池防反射层结构的亚波长光栅:半球体和圆柱体亚波长光栅，利用严格耦合波方法优化光栅结构的周期、槽深、占空比和基底厚度，使得光栅结构在入射角为0°～89°，波长为300nm～1100nm范围内的平均透射率均在82％以上，入射角为40°～80°时改善效果尤其明显，是薄膜太阳能电池中非常有效的陷光结构。
　　结合半球体亚波长光栅防反射层，基于光子晶体的慢光效应，设计了一种吸收层为2D四方晶格光子晶体的Si薄膜太阳能电池结构。经验证该结构在波长为300nm～1100nm，入射角为0°～80°时平均吸收效率为90.47％;入射角在0°～89°范围内平均吸收效率为86％，不仅实现了全角范围内的高吸收，而且减少了结构体积和有源层厚度。
　　最后，根据光栅的散射可增加有效光程，金属表面激发的等离子体模式可增加光的吸收。设计了一种吸收层厚1μm，总厚度为1.45μm的含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥金属光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构。对优化后的电池结构进行数值计算，得出:该薄膜太阳能电池结构在入射角为0°～75°、波长为300nm～750nm时平均吸收效率达92％。其中防反射层使得该薄膜太阳能电池在300nm～600nm波段的平均吸收效率提高了11.54％;背反射层在600nm～850nm波段平均吸收效率提高了3.75％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳能电池

1．3 光栅、光子晶体及其在太阳能电池中的应用

1．4 本文结构

第二章 光栅及光子晶体理论分析

2．1 二维严格耦合波方法

2．2 平面波展开法

2．3 本章小结

第三章 硅薄膜太阳能电池防反射层设计

3．1 结构模型

3．2 参数优化计算

3．3 本章小结

第四章 硅薄膜太阳能电池吸收层设计

4．1 结构模型

4．2 优化计算

4．3 本章小结

第五章 一种增加硅薄膜太阳能电池吸收的设计

5．1 结构模型

5．2 结构优化

5．3 结构比较

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及论文发表情况