本文選題：表面等離激元 + 數(shù)值模擬　； 參考：《鄭州大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：太陽電池大規(guī)模應(yīng)用應(yīng)當(dāng)具備兩個(gè)條件:一是成本低,二是效率高。微晶硅薄膜太陽電池不僅具有原材料豐富、低溫成膜技術(shù)成熟、工藝相對(duì)簡單等特點(diǎn),而且還能在廉價(jià)的襯底上實(shí)現(xiàn)大面積的生產(chǎn),使得微晶硅薄膜太陽電池具有低成本優(yōu)勢,但是其較薄的光吸收層降低了光吸收,進(jìn)而使得微晶硅薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低。在當(dāng)前光伏領(lǐng)域,利用金屬納米顆粒表面等離激元陷光技術(shù)來提高薄膜太陽電池的光吸收效率引起了廣泛的關(guān)注。本學(xué)位論文首先綜述了太陽電池光管理技術(shù),并重點(diǎn)介紹了金屬納米顆粒表面等離激元在太陽電池中的應(yīng)用,然后,采用基于有限元法(FEM)的COMSOL數(shù)值模擬軟件研究了金屬納米顆粒以及核殼納米結(jié)構(gòu)的光散射特性,最后,為微晶硅薄膜太陽電池設(shè)計(jì)出了寬光譜陷光結(jié)構(gòu)。得到的主要結(jié)論如下:1、金屬納米顆粒光散射特性研究:模擬并計(jì)算了不同尺寸的球狀納米顆粒的光散射性能,結(jié)果表明:與Au、Cu相比,Ag和Al納米顆粒具備高散射,低吸收的特點(diǎn)。作為散射中心,球狀納米顆粒的半徑在100 nm左右為宜,與球狀納米顆粒相比,半球狀和圓柱狀納米顆粒的耦合效率較高,但其散射截面偏低。2、核殼納米結(jié)構(gòu)光散射特性研究:Al@Al2O3核殼結(jié)構(gòu)中很薄的氧化層(2 nm)對(duì)金屬核殼納米顆粒光散射性能影響很小;相同尺寸下,Al@Ag核殼結(jié)構(gòu)比Al的光散射性能更優(yōu);Si O2@Ag核殼結(jié)構(gòu)的性能很大程度上受到殼層厚度以及殼層材料的影響。3、微晶硅薄膜太陽電池寬光譜陷光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì):在微晶硅薄膜太陽電池前表面設(shè)計(jì)了周期性分布的Al納米顆粒陷光結(jié)構(gòu),當(dāng)顆粒半徑R為50 nm,周期P為250 nm時(shí),與參考電池相比,陷光結(jié)構(gòu)太陽電池對(duì)AM1.5光譜光吸收提高百分比Eabs為9.78%,其中短波部分光吸收提高明顯;當(dāng)顆粒R=100 nm,P=500nm,總的光吸收提高百分比Eabs為12.76%,其中中長波段光吸收顯著改善。利用不同尺寸的Al納米顆粒,為微晶硅薄膜太陽電池設(shè)計(jì)出了一種雙周期陷光結(jié)構(gòu),其光吸收提高百分比Eabs高達(dá)25.7%,達(dá)到了微晶硅薄膜太陽電池寬光譜陷光的要求。最后,結(jié)合不同波段的光吸收率和電磁場分布分析了電池的陷光機(jī)理。
[Abstract]:Large-scale application of solar cells should have two conditions: one is low cost, the other is high efficiency. Microcrystalline silicon thin film solar cells not only have the characteristics of abundant raw materials, mature low temperature film forming technology and relatively simple technology, but also can realize large area production on cheap substrates, which makes microcrystalline silicon thin film solar cells have low cost advantage. However, the thin optical absorption layer reduces the optical absorption, which leads to the low photoelectric conversion efficiency of microcrystalline silicon thin film solar cells. In the field of photovoltaic (PV), increasing the optical absorption efficiency of thin film solar cells by using the surface of metal nanoparticles isobaric trapping technology has attracted much attention. In this dissertation, the light management technology of solar cells is reviewed, and the application of surface isophosphors of metal nanoparticles in solar cells is introduced. The light scattering characteristics of metal nanoparticles and core-shell nanostructures were studied by COMSOL numerical simulation software based on finite element method. Finally, a wide-spectrum trapping structure was designed for microcrystalline silicon thin film solar cells. The main conclusions obtained are as follows: the light scattering properties of metal nanoparticles are studied as follows: the light scattering properties of spherical nanoparticles of different sizes are simulated and calculated. The results show that Ag and Al nanoparticles have the characteristics of high scattering and low absorption compared with Au-Cu. As the scattering center, the radius of spherical nanoparticles is about 100 nm. Compared with spherical nanoparticles, the coupling efficiency of hemispherical and cylindrical nanoparticles is higher than that of spherical nanoparticles. But the scattering cross section is low. 2. The light scattering characteristics of core-shell nanostructures; the thin oxide layer of 2 nm in Al _ (12) Al _ 2O _ 3 core-shell structure has little effect on the light scattering properties of metal core-shell nanoparticles. Under the same size, the light scattering performance of Alfilar Ag core-shell structure is better than that of Al. The properties of Si O2@Ag core-shell structure are greatly influenced by shell thickness and shell material. 3. The wide spectrum trapping structure of microcrystalline silicon thin film solar cell is designed. The periodically distributed Al nanoparticles trapping structure was designed on the front surface of microcrystalline silicon thin film solar cells. When the particle radius R is 50 nm and the period P is 250 nm, compared with the reference cells, the AM1.5 spectral absorption of the solar cells with trapping structure is increased by 9.78%, and the absorption of the shortwave part of the solar cells is increased obviously. The total optical absorption increase Eabs is 12.76, in which the medium and long band optical absorption is significantly improved. A dual-period trapping structure was designed for microcrystalline silicon thin film solar cells with different sizes of Al nanoparticles. The increase in optical absorption percentage (Eabs) was as high as 25.7%, which met the requirement of wide spectral trapping of microcrystalline silicon thin film solar cells. Finally, the light trapping mechanism of the battery is analyzed by combining the optical absorptivity and electromagnetic field distribution of different bands.
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.2;O613.72

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本文編號(hào)：1864938