太阳能电池表面光栅吸收辐射特性研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景和意义能源短缺和环境污染是当今社会发展面临的两个非常重大的问题，缓和并最终解决上述两个问题的有效方法就是发展清洁与可再生能源。太阳能作为一种清洁无污染并且蕴藏丰富的能源形式得到了越来越多的研究和关注。在诸多的太阳能利用方式中，光伏发电技术凭借其独特的优势成为了发展最快并且最有发展前景的方向。与传统的化石燃料发电技术相比，太阳能光伏发电具备很多优势，主要体现在：①资源丰富，并且资源分布不受地域限制；②清洁可靠，无污染无噪声；③可与建筑物的屋顶和墙面结合，实现小规模发电并能够就地供电；④容易被使用者接受。

2、由此可见，光伏发电将在能源消费体系中占据重要地位。太阳能电池作为光伏发电技术的核心，面临两个发展瓶颈：成本高和效率低[1-3]。以晶体硅太阳能电池为例，硅平面对入射太阳光的反射率高达30%~40%，因此减少硅表面对入射太阳光的反射损失是提高太阳能电池转换效率的有效途径[4]。目前，使用较广泛的太阳能电池表面减反技术是构造表面陷光结构，如在太阳能电池表面蒸镀减反膜[5]以及表面制绒[6-11]。其中，表面制绒是通过构造随机或规则的结构来增加太阳光反弹回电池表面的概率，以达到多次吸收的目的来提高吸收率。与此同时，随着航天技术、材料工业、能源工程、信

3、息技术及高集成度微电子器件和微加工技术的迅速发展，越来越多的研究开始迈向微纳米尺度领域。所谓微纳米尺度就是物体的特征尺寸与热辐射波长相当或较之更小。此时，由于尺度效应，尤其是波的干涉效应和光子隧道效应的影响，其辐射特性和传输特性都会与传统的宏观尺度下的辐射换热问题存在较大差异[12-14]。研究表明，表面微结构能对物体的辐射特性产生巨大的影响，这主要是由于微结构能够引起多重反射和衍射效应，产生多种异常辐射现象[15]。因此，通过构造表面微结构能够有效地调控物体的光谱辐射特性和方向辐射特性。表面微结构的独特辐射特性及其对辐射的调控能力在许多能量转

4、换系统中1万方数据华中科技大学硕士学位论文具有广泛的应用，如热光伏装置[16]、红外热像仪[17-19]以及航天器温度控制[20,21]等。考虑到表面微结构的独特辐射特性及其在能量转换系统中的广泛应用，可以把表面微结构应用到太阳能电池陷光结构中。表面微结构作为太阳能电池吸收表面不仅可以通过多次反射增加太阳光的传播路径和吸收概率，还可以通过与电磁波的耦合作用引入额外的光来增加吸收。1.2国内外研究现状1.2.1表面微结构在能量转换系统中的应用如今，通过构造一维、二维以及三维微纳米结构来改变表面的反射和发射特性已经被广泛应用到许多能量转换系统中，如

5、波长选择性吸收器和发射器[6,8,9,22-26]。2000年，Heinzel等人[6]利用严格耦合波分析法研究了二维周期性金属光栅结构的选择性辐射特性；研究表明二维钨光栅能够通过激发表面等离子体波来调控光谱发射特性，其为波长选择性发射器和滤波器的发展提供了新思路。2001年，Maruyama等人[22]利用微加工技术制造了一个高填充比的二维硅材料微腔阵列结构，且在其上覆盖了一层铬薄膜；并用数值模拟和实验测量相结合，研究了此结构的光谱辐射特性以及角度依赖和偏振特性；研究表明此结构能够获得较好的选择辐射特性，并且其发射率的增大是由于激发了空腔谐振

6、效应。2001年，Sai等人[23]对二维周期性钨材料深微腔结构的辐射特性进行了研究；研究表明此结构作为热光伏辐射器能够通过激发空腔谐振效应在特定波长得到很高的发射率，并且可以通过改变结构参数来调控光谱辐射特性。2003年，Lin等人[24]利用实验方法构造了一个三维钨材料光子晶体结构，此结构在近红外波长范围内具有较高的吸收发射特性；基于其较好的发射特性，此结构适用于热光伏发电装置，并且采用了此种三维钨材料光子晶体结构的热光伏发电装置的光电转换效率高达34%。2004年，Narayanaswamy等人[8]研究了一维金属-介质周期性结构的热辐射

7、特性；研究表明这种简单的一维钨薄膜光子晶体结构在红外和可见光范围内呈现出了较好的类似于三维光子晶体的选择发射特性；所以其在热光伏装置以及选择性发射装置中有广阔的应用前景。2007年，Popov等人[9]利用差分法模拟了光照射到不同结构表面的衍射情况，并比较了一维金属浅光栅、一维金属深光栅、二维金2万方数据华中科技大学硕士学位论文属浅光栅以及二维金属深光栅的表面等离子波；研究表明表面等离子波能引起光栅表面附近局域场的明显增大。2011年，Huang等人[25]设计了一个应用于热光伏装置中的二维Ag微腔阵列窄带辐射器，并借助于时域有限差分法数值模拟

8、了各结构参数、入射角以及方位角等对表面辐射特性的影响；结果表明此结构通过激发表面等离子体激元和空腔谐振效应使吸收率得到明显提高。1.2.2周期性表面微