薄膜太陽能電池的二元光柵結構

【摘要】：薄膜太陽能電池具有材料用量少，結構靈活，易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)勢，有著廣闊的市場前景，一直是光伏技術的主要研究方向。由于薄膜太陽能電池的有源層較薄，難以實現(xiàn)對入射太陽光的充分吸收。在薄膜太陽能電池表面刻蝕光柵結構，利用光柵的衍射增加有源層的光傳播距離，能有效提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，目前人們主要采取在透明導電膜和硅基薄膜間刻蝕各種刻槽形貌的相位光柵結構，其工藝簡單，實用性強，一直是人們研究的熱點。 相位光柵刻槽形貌通常為矩形，但是這種光柵只能在某一波長附近具有較高的衍射效率。薄膜太陽能電池有很寬的工作波段，如何提高全波段光衍射效率，尤其是長波長區(qū)域的衍射效率。成為薄膜太陽電池光柵結構的一個重要研究內(nèi)容。20世紀80年代中期出現(xiàn)的二元光學為解決上述問題提供了一個新的發(fā)展思路。二元光學是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。實驗和計算結果均表明，三角形形貌光柵與常規(guī)矩形形貌光柵相比具有更高衍射效率，但其光柵中斜面刻蝕工藝不易于形成工業(yè)化生產(chǎn)。在二元光學技術中，光柵以臺階狀輪廓來近似三角形光柵斜面，已形成了完整的設計方法和制作工藝。本文我們將二元光柵引入到薄膜太陽能電池的光柵結構中，對不同階次二元光柵在可見和近紅外波段的衍射效率進行研究。計算結果表明，二元光柵能夠在整個波段具有高的衍射效率，將這種光柵結構應用于薄膜太陽能電池，能夠進一步提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。 論文提出了采用二元光柵結構提高太陽能薄膜衍射效率的技術方法。利用對透射率函數(shù)的傅立葉變換計算出垂直入射時二元光柵的衍射光場分布。研究了不同階次二元光柵在可見和近紅外波段的衍射零級光強和總衍射效率隨波長變化的規(guī)律。以硅基太陽能薄膜為例，分別計算了普通相位光柵和二階、三階二元光柵衍射強度分布、隨波長零級光強的變化規(guī)律以及衍射效率。結果表明，與普通相位光柵結構相比，二元光柵結構能夠在較寬波段提高光衍射效率。 【關鍵詞】：二元光柵 薄膜太陽能電池 衍射效率 MATLAB
【學位授予單位】：河南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-13
• 1.1 用相位光柵設計薄膜太陽能電池的背景9-10
• 1.2 用相位光柵設計薄膜太陽能電池的方法10-11
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容11-12
• 1.4 本論文的特色與創(chuàng)新之處12-13
• 第二章 光柵標量衍射方法分析13-21
• 2.1 電磁場理論13-14
• 2.1.1 麥克斯韋方程組13
• 2.1.2 赫姆霍茲方程13-14
• 2.2 平面波的角譜14-17
• 2.2.1 角譜及其物理解釋14-15
• 2.2.2 角譜的傳播15-17
• 2.2.3 衍射屏對角譜的效應17
• 2.3 相位光柵的傅里葉變換17-21
• 第三章 光柵矢量衍射方法分析21-41
• 3.1 嚴格耦合波理論21-36
• 3.1.1 一維表面浮雕結構21-22
• 3.1.2 任意偏振入射光22-29
• 3.1.3 TE 偏振入射光29-33
• 3.1.4 TM 偏振入射光33-36
• 3.2 時域有限差分法的基本原理36-41
• 3.2.1 Maxwell 方程和 Yee 氏算法37-39
• 3.2.2 FDTD 的基本差分方程39-41
• 第四章 二元光柵41-49
• 4.1 相位光柵衍射特性的分析41-46
• 4.1.1 原理42-44
• 4.1.2 計算實例44-46
• 4.2 二元光柵的衍射效率46-49
• 第五章 薄膜太陽能電池二元光柵結構49-61
• 5.1 原理49-51
• 5.2 硅薄膜太陽能電池二元光柵設計實例51-61
• 5.2.1 薄膜太陽能電池采用普通光柵51-54
• 5.2.2 薄膜太陽能電池采用二元光柵54-61
• 結論61-63
• 參考文獻63-69
• 致謝69-71
• 攻讀碩士學位期間的研究成果71-72

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