發(fā)布時間：2020-06-26 19:18

【摘要】：太陽能輻射的吸收增強,能夠降低原料成本且提高能量利用效率,是開發(fā)新型高效太陽能光熱和光伏器件的關(guān)鍵因素之一。微納結(jié)構(gòu)有著特殊的輻射特性和傳輸規(guī)律,在增強輻射吸收方面具有巨大的潛力。因此,本文研究了薄膜、周期性結(jié)構(gòu)、非周期結(jié)構(gòu)三類微納結(jié)構(gòu),在太陽能輻射吸收增強中的應(yīng)用。為了實現(xiàn)不同類型微納結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬,本文對傳輸矩陣、嚴(yán)格耦合波分析及時域有限差分法進行了編程實踐。在研究薄膜結(jié)構(gòu)時,基于導(dǎo)納匹配條件,本文推導(dǎo)并歸納出任意層薄膜完全吸收時的導(dǎo)納匹配公式。利用導(dǎo)納匹配公式,指導(dǎo)了吸收材料選擇以及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。設(shè)計的含超薄層的三層薄膜結(jié)構(gòu),從理論、模擬和實驗均證實了其良好的太陽能光譜選擇吸收特性,且對于極化和大角度入射不敏感。對于周期性結(jié)構(gòu),研究了硅基納米線和納米孔陣列的吸收性能,發(fā)現(xiàn)不同陣列結(jié)構(gòu)有著相近的最優(yōu)周期。本文對最優(yōu)周期的存在,以及陣列的吸收率峰形成進行了理論分析和解釋。為了彌補納米線陣列近帶隙波長范圍的吸收不足,文中提出了一種含薄塊的納米線陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),薄塊能激發(fā)近紅外區(qū)域的吸收峰,從而有效增強總的輻射吸收。同時,本文揭示了形成吸收峰的表面等離子極化、導(dǎo)波模態(tài)和磁極化機理。在非周期結(jié)構(gòu)中,以一維混亂光柵和二維隨機納米孔為研究對象,對大量隨機結(jié)構(gòu)的吸收性能進行了統(tǒng)計分析。研究發(fā)現(xiàn),一維混亂光柵存在優(yōu)化結(jié)構(gòu),能使吸收性能高于對應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)。但一維混亂光柵對于吸收性能提升有限,且對入射極化敏感。二維隨機排列納米孔研究表明,隨機排列、隨機孔徑和無定型三類隨機結(jié)構(gòu)的吸收特性統(tǒng)計分布各異。無定型隨機納米孔結(jié)構(gòu),能夠激發(fā)更多的導(dǎo)波共振模式,在太陽能寬譜吸收中具有良好的增強效果。本文對于三種不同類型微納結(jié)構(gòu)的輻射特性和輻射傳輸規(guī)律研究,證實了微納結(jié)構(gòu)在太陽能輻射吸收增強的有效性。同時,研究得到的輻射特性和傳輸規(guī)律,揭示的吸收增強機制,為改進現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu),以及開發(fā)新型的高效輻射吸收器提供了方法和理論支持。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK519
【圖文】：

圖 3-12 (a)頂層薄膜厚度變化時吸收器的總轉(zhuǎn)化效吸收器的吸Fig.3-12 (a) Total conversion efficiencies of absabsorptivity spectrum of the solar selective la黑點表示的最大轉(zhuǎn)化效率為 78.64%，對84.9 nm。圖 3-12 的總轉(zhuǎn)化效率分布由窮舉加到 11nm，變化間隔為 0.1nm，而中間介隔為 2 nm。直接采用導(dǎo)納匹配公式（3-11）所示。由圖可見，該線穿過了轉(zhuǎn)化效率最高近，這說明導(dǎo)納匹配分析給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，法提供良好的初值大有裨益。最大轉(zhuǎn)化效率如圖 3-12（b）黑線所示。橘黃線表示 AM而灰線表示 373.15K 黑體輻射強度光譜。如

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文0.9954，非常接近完全吸收。這說明該結(jié)構(gòu)的確定，是權(quán)衡了寬譜吸收、總發(fā)射率等多種因素，并不像導(dǎo)納分析方法一樣以單波長完全吸收為目的。在黑體輻射光譜范圍內(nèi)，吸收器的發(fā)射率基本保持在 4%以下，因而自身輻射損失很少，說明了該吸收器有著良好的波長選擇性。為了進一步檢測具有最大轉(zhuǎn)化效率的層狀吸收器對于入射方向及極化敏感性，不同極化方式及變化入射角度下的吸收率分布，如圖 3-13 所示。在 TE 極化入射條件下，由圖 3-13（a）看出，吸收率在入射角度小于 60°時，保持著寬譜高吸收率，而入射角度繼續(xù)增大后，吸收率迅速減小。在 TM 極化入射下，如圖 3-13（b）所示，吸收率在更大入射角度中保持著寬譜高吸收。因此，綜合兩種入射極化下吸收率特點，可預(yù)見在太陽光的混合極化入射下，該層狀吸收器將在較大角度下保持著高吸收性能。

本文編號：2730778