發(fā)布時間：2017-06-28 12:09

  本文關(guān)鍵詞：基于光柵結(jié)構(gòu)和金屬表面等離子體效應(yīng)的太陽能電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太陽能電池通過利用光電效應(yīng)使光能轉(zhuǎn)換成電能,是目前緩解能源緊缺問題、產(chǎn)生綠色新能源的主要方法。然而,太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率過低和生產(chǎn)成本過高成為限制太陽能電池廣泛使用的最大瓶頸�，F(xiàn)階段對于太陽能電池的研究歸結(jié)為以下兩方面:一是通過研究和開發(fā)新型太陽能電池材料以提高光電轉(zhuǎn)換率;二是在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計太陽能電池窗口層、吸收層和背反層結(jié)構(gòu),來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率及性價比。本文主要對太陽能電池吸收層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化,研究內(nèi)容分為兩大部分:(1)在碲化鎘吸收層設(shè)計多種光柵結(jié)構(gòu),通過計算太陽能電池的吸收率,對光柵填充比和刻槽深度進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計出新型的單、雙填充比矩形光柵結(jié)構(gòu),并運用有限元法對其在250nm~1000nm太陽光波長范圍內(nèi)的吸收率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:相比于平板型結(jié)構(gòu),單填充比和雙填充比矩形光柵結(jié)構(gòu)的光吸收率均有較大的提高。雙填充比矩形光柵在整個可見光范圍內(nèi)的吸收率整體得到提高,其對可見光的平均吸收率相比于平板型至少提高10%�？梢娡ㄟ^設(shè)計太陽能電池吸收層的結(jié)構(gòu),入射光在光柵內(nèi)的隨機反射增大了光在太陽能電池中的作用時間和傳播距離,大大提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。(2)在砷化鎵光柵結(jié)構(gòu)中加入金屬納米顆粒,利用金屬粒子與介質(zhì)接觸面形成的表面等離子體效應(yīng),將太陽光高度局域在砷化鎵光電轉(zhuǎn)換層內(nèi),以提高太陽能電池的吸收效率。通過對不同形狀(矩形、三角形和球形)和尺寸的金(Au)納米顆粒填充時太陽能電池吸收率的研究和分析,發(fā)現(xiàn)在入射波長為250nm~450nm波段,三種結(jié)構(gòu)的吸收率基本相同;在450nm~750nm波長范圍內(nèi),球形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的吸收率最大,矩形結(jié)構(gòu)對應(yīng)的吸收率最低,三角形結(jié)構(gòu)的吸收率處于矩形和球形結(jié)構(gòu)之間;在750nm~1000nm波長范圍內(nèi),三種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的吸收率情況變化不一,其中矩形結(jié)構(gòu)的平均吸收率大于三角形和球形結(jié)構(gòu)。對于三種不同形狀的金納米顆粒,在太陽光光譜的可見光波段,總體來看球形金納米顆粒對應(yīng)的平均吸收率要高于矩形和三角形的金納米顆粒結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 光柵 金屬納米顆粒 表面等離子體 吸收效率
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-17
• 1.1 太陽能電池概述10-12
• 1.1.1 太陽能電池的研究意義10
• 1.1.2 太陽能電池的發(fā)展歷程10-11
• 1.1.3 太陽能電池的基本原理11-12
• 1.2 太陽能電池的分類12-15
• 1.2.1 硅基太陽能電池13
• 1.2.2 化合物太陽能電池13-14
• 1.2.3 有機聚合物太陽能電池14-15
• 1.3 金屬等離子體對太陽能電池的影響15
• 1.4 課題的主要研究內(nèi)容15-16
• 1.5 本文架構(gòu)16-17
• 2 太陽能電池基本理論17-27
• 2.1 光譜照度與太陽輻射17-19
• 2.2 光照下的半導(dǎo)體PN結(jié)19-21
• 2.2.1 半導(dǎo)體PN結(jié)19-20
• 2.2.2 光吸收20-21
• 2.3 太陽能電池的U-I特性曲線21-23
• 2.4 光照下的半導(dǎo)體PN結(jié)23-27
• 2.4.1 短路電流24
• 2.4.2 開路電壓24
• 2.4.3 峰值電流和峰值電壓24-25
• 2.4.4 峰值功率25
• 2.4.5 填充比25
• 2.4.6 轉(zhuǎn)換效率25-27
• 3 金屬表面等離子體理論基礎(chǔ)27-34
• 3.1 表面等離子體激元（surface plasmon polaritons，SPP）27-29
• 3.2 局域表面等離子體（localized surface plasmons，LSP）29-31
• 3.3 表面等離子體增強光吸收的模式31-33
• 3.4 表面等離子體在太陽能電池中的應(yīng)用33-34
• 4 基于光柵結(jié)構(gòu)的碲化鎘太陽能電池吸收特性的研究34-43
• 4.1 太陽能電池結(jié)構(gòu)模型35
• 4.2 吸收層模型的有限元法（FEM）分析35-37
• 4.3 數(shù)值模擬及分析37-41
• 4.3.1 平板型與矩形光柵型吸收率對比37-38
• 4.3.2 填充比對矩形光柵結(jié)構(gòu)吸收率的影響38-39
• 4.3.3 雙填充比矩形光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計39-41
• 4.3.4 刻槽深度對雙填充比矩形光柵結(jié)構(gòu)的影響41
• 4.4 本章小結(jié)41-43
• 5 基于金屬表面等離子體效應(yīng)的砷化鎵太陽能電池吸收特性的研究43-66
• 5.1 金納米矩形顆粒結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化44-53
• 5.1.1 平板型與金屬納米矩形顆粒結(jié)構(gòu)吸收率對比44-46
• 5.1.2 刻槽深度對金納米矩形顆粒的影響46-47
• 5.1.3 填充比和矩形顆粒寬度對金納米矩形顆粒的影響47-50
• 5.1.4 金納米矩形顆粒結(jié)構(gòu)的電磁場特性研究50-53
• 5.2 金納米三角形顆粒結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化53-61
• 5.2.1 三角形的高度對金納米三角形顆粒的影響53-55
• 5.2.2 填充比和底邊長對金納米三角形顆粒的影響55-58
• 5.2.3 金納米三角形顆粒結(jié)構(gòu)的電磁場特性研究58-61
• 5.3 金納米球形顆粒結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化61-65
• 5.3.1 半徑對金納米球形顆粒的影響61-62
• 5.3.2 金納米球形顆粒結(jié)構(gòu)的電磁場特性研究62-65
• 5.4 不同形狀金納米顆粒的吸收率比較65-66
• 6 總結(jié)與展望66-67
• 6.1 總結(jié)66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 在校期間參加課題和發(fā)表學(xué)術(shù)論文71-72
• 致謝72

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