硅基太陽能電池的減反微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電學(xué)特性仿真研究

【摘要】：能源短缺和環(huán)境惡化問題正日趨嚴(yán)重地影響著人類社會的持續(xù)性發(fā)展。如能高效利用清潔的可再生能源太陽能,則人類完全有可能在不破壞自然環(huán)境的前提下滿足自身發(fā)展對能源的需求。光伏能源產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)展速度最快的產(chǎn)業(yè)之一,而太陽能電池是光伏技術(shù)中最核心的部件。硅基太陽能電池憑借其性能穩(wěn)定、效率較高、原材料豐富等諸多優(yōu)點(diǎn),在太陽能電池市場中占據(jù)著主導(dǎo)地位,因此提高硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。光學(xué)損失與電學(xué)損失是影響硅基太陽能電池效率的兩大主要原因,本文從這兩個角度出發(fā)分別展開研究工作。針對硅基太陽能電池前表面的光學(xué)損失,本文首先采用時域有限差分法(FDTD)對電池表面拋物錐陣列微結(jié)構(gòu)的反射特性進(jìn)行了研究,分析了拋物錐陣列的高度、底面占空比、周期等參數(shù)對其抗反射性能的影響。研究表明,反射率隨底面占空比、高度的增大而減小;當(dāng)周期遠(yuǎn)小于波長時,周期的變化對反射率影響很小,但當(dāng)周期大于某一臨界值時,結(jié)構(gòu)的減反性能會受到較大影響。在錐高600nm且拋物錐底面直徑等于周期的情況下,錐底面直徑分別取128nm,160nm,213nm,256nm,320nm時,微結(jié)構(gòu)在硅的響應(yīng)光譜300~1200nm內(nèi)均能獲得低于3%的反射率。其次,在以上工作基礎(chǔ)上提出了三種優(yōu)化結(jié)構(gòu),分別為:六邊形排列拋物錐陣列結(jié)構(gòu)、大拋物錐陣列與小圓錐陣列相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)、大拋物錐陣列與小拋物錐陣列相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)將硅在響應(yīng)光譜波段內(nèi)的反射率進(jìn)一步降低至1%左右,并且在斜入射的情況下減反效果也較為優(yōu)異,較好地實(shí)現(xiàn)了寬波段、大角度入射的減反射性能,為硅基太陽能電池抗反射表面的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。針對硅基太陽能電池的電學(xué)損失,本文利用PC1D軟件仿真計(jì)算了摻雜濃度、反射率、串聯(lián)電阻等參數(shù)對太陽能電池性能的影響,并分析了相關(guān)原因。在此基礎(chǔ)上對單晶硅太陽能電池的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),最終將單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率由17.29%提高到了22.14%。 【關(guān)鍵詞】：減反射 時域有限差分法 拋物錐 太陽能電池 轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.41
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 研究意義10-11
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展歷程11-12
• 1.3 太陽能電池的分類及特點(diǎn)12-14
• 1.4 提高硅基太陽能電池效率的方法14-17
• 1.4.1 硅基太陽能電池的地位14-15
• 1.4.2 硅基太陽能電池的損失機(jī)制及優(yōu)化措施15-17
• 1.5 論文內(nèi)容安排17-18
• 第二章 太陽能電池的物理基礎(chǔ)18-34
• 2.1 太陽能電池的工作原理18-19
• 2.2 太陽能電池的等效電路19-21
• 2.2.1 理想太陽能電池的等效電路19-20
• 2.2.2 實(shí)際太陽能電池的等效電路20-21
• 2.3 表征太陽能電池性能的主要參數(shù)21-24
• 2.4 載流子的產(chǎn)生、復(fù)合與輸運(yùn)24-33
• 2.4.1 載流子的產(chǎn)生24-26
• 2.4.2 載流子的復(fù)合26-31
• 2.4.3 半導(dǎo)體輸運(yùn)方程組31-33
• 2.5 本章小結(jié)33-34
• 第三章 研究方法及理論的介紹34-42
• 3.1 時域有限差分法(FDTD)34-37
• 3.1.1 FDTD原理34-37
• 3.1.2 空間步長和時間步長37
• 3.2 等效介質(zhì)理論37-39
• 3.3 太陽能電池仿真軟件PC1D39-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 第四章 硅基太陽能電池表面拋物錐陣列微結(jié)構(gòu)的反射特性研究42-58
• 4.1 二維亞波長微結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀42-44
• 4.2 拋物錐陣列及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)的FDTD模擬計(jì)算44-52
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)設(shè)計(jì)44-45
• 4.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對反射性能的影響45-48
• 4.2.3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)48-52
• 4.3 對模擬結(jié)果的分析52-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第五章 硅基太陽能電池的電學(xué)特性仿真58-69
• 5.1 摻雜濃度的影響58-61
• 5.2 反射率的影響61-63
• 5.3 串聯(lián)電阻的影響63-64
• 5.4 單晶硅太陽能電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)64-68
• 5.5 本章小結(jié)68-69
• 第六章 總結(jié)與展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 致謝76-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他科研成果77

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