等離激元結(jié)構在薄膜硅太陽能電池中的應用

【摘要】：隨著能源使用的加劇,開發(fā)太陽能成為人類迫切需要的舉措。硅半導體材料由于豐富性和無毒性,成為商用太陽能電池中的首選材料。由于硅材料的吸收長度遠大于載流子擴散長度,導致光吸收和載流子收集成為兩難。近年來,開發(fā)第二代薄膜硅太陽能電池受到了人們廣泛關注。此外,薄膜存在著吸收率較低的情況,導致薄膜硅電池對太陽能的效率很低,因此,將表面等離激元結(jié)構引入薄膜硅太陽能電池,對于提高硅的光吸收率和增強電池的轉(zhuǎn)換效率具有積極意義。 本文從理論出發(fā),系統(tǒng)研究等離激元結(jié)構在薄膜硅太陽能電池中的應用,得到結(jié)果如下： 第一,我們將周期性的等離激元結(jié)構引入薄膜硅太陽能電池,揭示其對薄膜硅電池具有光吸收增強效應。首先,我們從二維結(jié)構入手,調(diào)控了周期一定的情況下金屬結(jié)構層采用不同材料和厚度對于硅薄膜吸收的影響。然后,我們從實際情況出發(fā),考慮同時利用橫電模和橫磁模偏振光的能量,在三維結(jié)構下對薄膜硅層表面引入的周期納米金屬結(jié)構進行數(shù)值模擬。通過研究表明,當金屬結(jié)構周期改變時,薄膜硅的光吸收也發(fā)生改變,并且在增強波段表現(xiàn)為窄帶增強。并且,隨著周期加大,譜線的峰位數(shù)也在增加,說明增強模式數(shù)變大。 第二,我們首次將銀納米等離激元分形結(jié)構引入薄膜硅太陽能電池,揭示其對超薄硅電池具有寬帶吸收和效率增強的效應。通過微觀電場分布的研究,分形結(jié)構中多個基本單元使得系統(tǒng)中的腔模式和等離激元模式都得到了激發(fā)。其中的腔模式主要來自于橫向和縱向的Fabry-Perot共振,同時,低階和高階的等離激元模式也在系統(tǒng)中得到了激發(fā)。在兩種模式的共同作用下,硅薄膜的吸收譜線得到明顯展寬。隨后,為了表征增強效果,我們對太陽能電池的量子效率做了相應計算。通過計算效率,可以得到等離激元結(jié)構對薄膜硅太陽能電池的增強效果十分明顯。最后,通過優(yōu)化試驗參數(shù),調(diào)節(jié)分形結(jié)構的參數(shù),我們可以進一步提高電池效率。 綜上所述,本文通過理論計算研究了等離激元分形結(jié)構在薄膜硅太陽能電池中的應用。通過微觀機制和場分布分析,我們可以深化等離激元結(jié)構對薄膜硅太陽能電池增強機制的認識。由于分形結(jié)構由多個基本單元組成,對于增加系統(tǒng)中的多帶響應和寬帶響應起到了良好效果,同時提高了薄膜硅太陽能電池的吸收率和量子效率。我們的研究為設計新型薄膜太陽能光伏器件提供了新的科學思路。 【關鍵詞】：
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-28
• 1.1 太陽能電池簡介10-11
• 1.2 太陽能電池工作原理及特性11-13
• 1.3 薄膜太陽能電池效率研究進展13-23
• 1.3.1 概述13-15
• 1.3.2 抑反射層提高薄膜太陽能電池效率15-16
• 1.3.3 光子晶體提高薄膜太陽能電池效率16-18
• 1.3.4 等離激元結(jié)構提高薄膜太陽能電池效率18-23
• 1.4 論文結(jié)構與研究目的23-25
• 參考文獻25-28
• 第二章 周期金屬微結(jié)構對硅薄膜光吸收的增強效應28-38
• 2.1 概述28-30
• 2.2 計算方法和吸收層選取30-31
• 2.3 二維周期金屬結(jié)構增強硅薄膜光吸收31-34
• 2.3.1 金屬材料選取31-33
• 2.3.2 結(jié)構層高度選取33-34
• 2.4 三維周期金屬結(jié)構增強硅薄膜光吸收34-35
• 2.5 本章小結(jié)35-37
• 參考文獻37-38
• 第三章 等離激元分形結(jié)構增強超薄硅太陽能電池的寬帶吸收38-51
• 3.1 分形簡介38-39
• 3.2 等離激元分形結(jié)構設計39-40
• 3.3 基本單元結(jié)構的研究40-45
• 3.3.1 基本單元結(jié)構的反射40-42
• 3.3.2 光學模式的微觀電場分布42-44
• 3.3.3 基本單元結(jié)構的吸收44-45
• 3.4 等離激元分形結(jié)構的寬帶效應45-47
• 3.5 太陽能電池的效率與優(yōu)化47-49
• 3.6 本章小結(jié)49-50
• 參考文獻50-51
• 發(fā)表及待發(fā)表文章51-52
• 參加學術會議52-53
• 致謝53-55

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