高吸收效率太阳能电池陷光机制和光学特性研究

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1、学校代码10459学号或申请号201412172075密级硕士学位论文高吸收效率太阳能电池陷光机制和光学特性研究作者姓名：王毅乐导师姓名：孙晓红教授张旭副教授学科门类：工科专业名称：电子科学与技术培养院系：信息工程学院完成时间：2017年5月Athesis(dissertation)submittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterStudyonlight-trappingmechanismandopticalpropertiesofhighabsorptionefficienc

2、ysolarcellsByYileWangSupervisor:Prof.XiaohongSunA.P.XuZhangIndustrialCatalysisTheCollegeofInformationEngineeringMay2017原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学

3、位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日摘要摘要太阳能的有效利用能够缓解当前的能源危

4、机和环境污染这两大社会问题。太阳能电池可以直接将太阳能转换为电能，但是在当今社会中并没有得到广泛应用，究其主要原因是太阳能电池的转换效率过低和生产成本过高。因此，提高转换效率和降低生产成本是今后太阳能光伏技术发展的方向和目标。微纳结构在光伏器件上的应用能够极大地减小电池吸收层的厚度，从而降低其生产成本。为了提高太阳能电池的光电转换效率，很多研究工作都集中在新型光伏材料和陷光结构的研发当中。本文以太阳能电池的陷光结构为研究对象，设计出了纳米针光栅阵列和倾斜纳米线阵列的新型陷光结构，并且还建立了球形金属颗粒的表面等离子模型。通过数值

5、仿真，对它们进行了光学特性和陷光机理的研究。本文的主要研究内容和结果如下：首先，针对GaAs纳米针光栅阵列，系统地研究了光栅阵列的结构参数对光吸收的影响。研究结果表明，光栅阵列的光吸收性能受结构参数的影响很大，经过优化后的光栅结构在所考察的波长范围内可以引起很宽波段内的光吸收增强。在最优参数配置下，纳米针光栅阵列的光吸收率最高可达到98%，与矩形光栅阵列相比提高了20%以上。其次，提出了倾斜GaAs纳米线阵列的陷光结构。利用有限元方法，研究了倾斜纳米线阵列的直径和填充因子对光吸收特性的影响，并且优化了该倾斜纳米线阵列结构。优化后

6、的倾斜纳米线阵列，总吸收率最大可达到95%，短路电流可达到30.3mA/cm2。与竖直纳米线阵列相比，倾斜纳米线阵列的光学性能得到了很好的提高，这说明将纳米线阵列做成倾斜结构，可以提高纳米线阵列的陷光能力。最后，建立了以晶体硅为背景材料的金属颗粒表面等离子陷光模型，并且分析了金属颗粒的镶嵌位置、直径以及填充因子对晶体硅光学特性的影响。结果表明，硅材料的吸收率受金属颗粒直径和填充因子的影响很大，而受镶嵌位置的影响很小。直径和填充因子主要影响吸收峰的数目。为了探究光吸收增强的陷光机制，对吸收峰的产生机理进行了分析。在晶体硅薄膜层里加

7、入金属颗I摘要粒，能够在一定程度上提高晶体硅的光吸收能力。关键词：太阳能电池，纳米针光栅，倾斜纳米线，表面等离子，吸收效率IIAbstractAbstractTheeffectiveutilizationofsolarenergycanrelievethetwosocialdifficultproblemsofenergyshortageandenvironmentpollution.Thesolarcellcandirectlyconvertsunlightintoelectricalenergy,butnowitisnotw

8、idelyappliedinoursociety.Themajorreasonistoolowconversionefficiencyandtoohighproductioncostforsolarcell.Therefore,improvingconversi