基于严格耦合波分析法对硅基薄膜太阳能电池光学设计的研究

【摘要】：本文以薄膜太阳能电池的光学设计为主要的研究内容,以严格耦合波理论为分析方法,采用具有衍射特性的光栅和陷光特性的光子晶体的太阳能电池结构,延长了太阳能电池的光学路径,增加了太阳能电池光吸收。本文主要内容为： 本文设计了一种矩形衍射光栅,采用的材料是导电材料氧化锡铟(ITO),其结构参数采用严格耦合波方法(RCWA)进行优化。随着不同的占空比和槽深度的衍射效率分别在TM偏振和TE偏振下的情况进行模拟,结果发现TE偏振下的衍射效率优于TM偏振下的衍射效率,因此本文对光栅结构的衍射属性的讨论选择TE模的情况。优化后的矩形ITO衍射光栅在TE偏振下,波长为0.6155～0.63um的范围内,入射角度在27-310范围内,其衍射效率均可达到90%以上。 设计了一种异型布拉格背反射器(IDBR)结构的多晶硅薄膜太阳能电池,通过平面波展开法(PWM)和RCWA对背反射器的能带和电池结构的光吸收分别进行了分析讨论。结果表明：在TM偏振下,400-700nm波长范围内优化后的电池结构的光吸收平均在90%左右；在TE偏振下,优化后的电池在400-700nm波长范围内的光吸收也比较高。太阳能电池中采用该异型布拉格结构的背反射器可以拓宽太阳电池对太阳光的反射波段,可以增加光吸收,可以提高太阳电池俘光能力。 设计了一种新型嵌套三角光栅结构的非晶硅薄膜太阳能电池,利用严格耦合波方法分别对太阳能电池的ITO层、a_Si层、ZnO层、Ag层进行了优化设计,并计算了结构优化后太阳能电池的光吸收。计算结果表明：太阳能电池结构优化后的ITO增透膜与同等厚度平坦的ITO增透膜相比较,吸收率平均提高了25%左右。采用具有周期性光栅结构的太阳能电池,太阳能电池的吸收率被提高了,尤其是在0.6-0.84μm的长波段,吸收率的增强在21.15-48.13%。此外,在0.3-0.84μm的宽频全角范围内,优化后的太阳能电池的吸收率均在90%左右；在入射波长分别为0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7pm,入射角为0-70。范围内,该结构的太阳能电池有接近1的高吸收率。 【关键词】：光子晶体 严格耦合波分析法 光吸收 衍射光栅 反射率 太阳电池 透射率
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-5
• 目录5-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 太阳能电池研究现状与意义7-11
• 1.1.1 多晶硅薄膜太阳能电池研究现状8-10
• 1.1.2 非晶硅薄膜太阳能电池研究现状10-11
• 1.2 本论文的主要工作11
• 1.3 本论文的结构11-13
• 第二章 严格耦合波分析法13-21
• 2.1 理论结构模型13-14
• 2.2 TE偏振下的平面衍射理论14-18
• 2.3 TM偏振下的平面衍射理论18-21
• 第三章 太阳能电池中衍射光栅结构分析21-29
• 3.1 矩形ITO衍射光栅21-25
• 3.1.1 设计与优化21-24
• 3.1.2 衍射属性的讨论24
• 3.1.3 结果讨论24-25
• 3.2 三角ITO衍射光栅25-29
• 3.2.1 设计与优化25-26
• 3.2.2 衍射属性的讨论26-28
• 3.2.3 结果讨论28-29
• 第四章 一种异型布拉格背反射结构的多晶硅薄膜太阳能电池29-35
• 4.1 结构设计29-30
• 4.2 理论方法和数值模拟30-33
• 4.3 结果讨论33-35
• 第五章 嵌套三角光栅结构的非晶硅薄膜太阳能电池设计35-43
• 5.1 结构模型35-36
• 5.2 结构优化36-38
• 5.3 数值模拟与讨论38-42
• 5.3.1 ITO层的分析38-39
• 5.3.2 电池结构的吸收率与波长的关系39-40
• 5.3.3 电池结构的吸收率与角度的关系40-41
• 5.3.4 电池结构光吸收图谱41-42
• 5.4 结果讨论42-43
• 第六章 创新点说明43-45
• 第七章 总结与展望45-47
• 参考文献47-51
• 致谢51-53
• 个人简介53

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