【摘要】：太陽能輻射的吸收增強,能夠降低原料成本且提高能量利用效率,是開發(fā)新型高效太陽能光熱和光伏器件的關鍵因素之一。微納結構有著特殊的輻射特性和傳輸規(guī)律,在增強輻射吸收方面具有巨大的潛力。因此,本文研究了薄膜、周期性結構、非周期結構三類微納結構,在太陽能輻射吸收增強中的應用。為了實現不同類型微納結構的數值模擬,本文對傳輸矩陣、嚴格耦合波分析及時域有限差分法進行了編程實踐。在研究薄膜結構時,基于導納匹配條件,本文推導并歸納出任意層薄膜完全吸收時的導納匹配公式。利用導納匹配公式,指導了吸收材料選擇以及結構參數確定。設計的含超薄層的三層薄膜結構,從理論、模擬和實驗均證實了其良好的太陽能光譜選擇吸收特性,且對于極化和大角度入射不敏感。對于周期性結構,研究了硅基納米線和納米孔陣列的吸收性能,發(fā)現不同陣列結構有著相近的最優(yōu)周期。本文對最優(yōu)周期的存在,以及陣列的吸收率峰形成進行了理論分析和解釋。為了彌補納米線陣列近帶隙波長范圍的吸收不足,文中提出了一種含薄塊的納米線陣列復合結構。研究發(fā)現,薄塊能激發(fā)近紅外區(qū)域的吸收峰,從而有效增強總的輻射吸收。同時,本文揭示了形成吸收峰的表面等離子極化、導波模態(tài)和磁極化機理。在非周期結構中,以一維混亂光柵和二維隨機納米孔為研究對象,對大量隨機結構的吸收性能進行了統(tǒng)計分析。研究發(fā)現,一維混亂光柵存在優(yōu)化結構,能使吸收性能高于對應的周期結構。但一維混亂光柵對于吸收性能提升有限,且對入射極化敏感。二維隨機排列納米孔研究表明,隨機排列、隨機孔徑和無定型三類隨機結構的吸收特性統(tǒng)計分布各異。無定型隨機納米孔結構,能夠激發(fā)更多的導波共振模式,在太陽能寬譜吸收中具有良好的增強效果。本文對于三種不同類型微納結構的輻射特性和輻射傳輸規(guī)律研究,證實了微納結構在太陽能輻射吸收增強的有效性。同時,研究得到的輻射特性和傳輸規(guī)律,揭示的吸收增強機制,為改進現有的微納結構,以及開發(fā)新型的高效輻射吸收器提供了方法和理論支持。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK519
【圖文】：

圖 3-12 (a)頂層薄膜厚度變化時吸收器的總轉化效吸收器的吸Fig.3-12 (a) Total conversion efficiencies of absabsorptivity spectrum of the solar selective la黑點表示的最大轉化效率為 78.64%，對84.9 nm。圖 3-12 的總轉化效率分布由窮舉加到 11nm，變化間隔為 0.1nm，而中間介隔為 2 nm。直接采用導納匹配公式（3-11）所示。由圖可見，該線穿過了轉化效率最高近，這說明導納匹配分析給出的結構參數，法提供良好的初值大有裨益。最大轉化效率如圖 3-12（b）黑線所示。橘黃線表示 AM而灰線表示 373.15K 黑體輻射強度光譜。如

上海交通大學博士學位論文0.9954，非常接近完全吸收。這說明該結構的確定，是權衡了寬譜吸收、總發(fā)射率等多種因素，并不像導納分析方法一樣以單波長完全吸收為目的。在黑體輻射光譜范圍內，吸收器的發(fā)射率基本保持在 4%以下，因而自身輻射損失很少，說明了該吸收器有著良好的波長選擇性。為了進一步檢測具有最大轉化效率的層狀吸收器對于入射方向及極化敏感性，不同極化方式及變化入射角度下的吸收率分布，如圖 3-13 所示。在 TE 極化入射條件下，由圖 3-13（a）看出，吸收率在入射角度小于 60°時，保持著寬譜高吸收率，而入射角度繼續(xù)增大后，吸收率迅速減小。在 TM 極化入射下，如圖 3-13（b）所示，吸收率在更大入射角度中保持著寬譜高吸收。因此，綜合兩種入射極化下吸收率特點，可預見在太陽光的混合極化入射下，該層狀吸收器將在較大角度下保持著高吸收性能。

本文編號：2730778