论文总字数：27906字

摘 要

上世纪以来，随着化石能源的不断减少以及环境污染日益严重，人们对可再生能源的开发利用越加重视，其中对太阳能的开发利用得到了广泛的关注。太阳能对于地球上的生命而言是无穷无尽的，因此对太阳能的研究应用成为人类能源研究发展的主要方向之一。微结构的辐射特性调控在太阳能电池方面有着重要应用。通过微结构的辐射特性调控，可以有效提高太阳能电池的吸收效率。本文主要对一维Ge基底硅光栅和Ge基底三槽复杂硅光栅的光谱辐射特性进行了研究，主要内容包括：

对一维Ge基底硅光栅和Ge基底三槽复杂硅光栅的辐射特性进行了模拟研究，分别从填充比、槽深和入射角这三个方面，分析了微结构在光谱调控方面的影响，发现空腔谐振效应可以有效调节整体光谱吸收率。通过对一维光栅的仿真计算，发现一维光栅不能有效提高整体光谱吸收率，并且调控带宽较窄。本文采用的三槽复杂光栅是由三个不同槽深的一维光栅组合而成的。通过对三槽复杂光栅的研究计算，发现三槽复杂光栅的调控带宽较宽，并且对方向不敏感，入射对称，适用于整体光谱吸收率的调控。此外，基于复合材料光栅的最大效率的计算方法，计算了AM1.5太阳光谱条件下，不同光栅结构的电池效率。对比不同结构的电池效率，发现较薄基底下的三槽复杂光栅就能很好提高电池效率。

关键词：光栅；热辐射特性；强化吸收；电池效率

Abstract

Since the last century, with the continuous reduction of fossil energy and the increasingly serious environmental pollution, people have paid more and more attention to the development and utilization of renewable energy, of which the development and utilization of solar energy has received extensive attention. Solar energy is endless for life on earth, so the research and application of solar energy has become one of the main directions of human energy research and development. The regulation of the radiation characteristics of microstructures has important applications in solar cells. By adjusting the radiation characteristics of the microstructure, the absorption efficiency of the solar cell can be effectively improved. This paper mainly studies the spectral radiation characteristics of one-dimensional Ge-based silicon gratings and Ge-based three-groove complex silicon gratings. The main contents include:

The radiation characteristics of the one-dimensional Ge-based silicon grating and the Ge-based three-groove complex silicon grating were simulated and studied. From three aspects of fill ratio, groove depth and incident angle, the influence of microstructure on the spectral control was analyzed. The cavity resonance effect can effectively adjust the overall spectral absorption rate. Through the simulation calculation of the one-dimensional grating, it is found that the one-dimensional grating cannot effectively improve the overall spectral absorption rate, and the control bandwidth is narrow. The three-groove complex grating used in this paper is composed of three one-dimensional gratings with different groove depths. Through the research and calculation of the three-slot complex grating, it is found that the three-slot complex grating has a wide control bandwidth, is insensitive to the direction, and has symmetrical incidence, which is suitable for the adjustment of the overall spectral absorption rate. In addition, based on the calculation method of the maximum efficiency of the composite grating, the cell efficiency of different grating structures under the solar spectrum conditions of AM1.5 was calculated. Comparing the battery efficiency of different structures, it was found that a three-groove complex grating under a thinner substrate can improve the battery efficiency.

Key Wards: gratings; Thermal radiation characteristic; Strengthen the absorption; The battery efficiency

目录

摘 要 I

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 微纳米尺度光栅的辐射调控研究 1

1.2.2 一维、二维和三维光子晶体的辐射调控研究 2

1.2.3 碳化硅(SiC)薄膜的辐射调控研究 3

1.2.4 基于表面等离子体的辐射调控研究 3

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 基本理论方法 5

2.1 时域有限差分法（FDTD） 5

2.2 本章小结 8

第三章 一维光栅辐射特性研究 9

3.1 一维光栅模型 9

3.2 无限大Ge基底硅光栅辐射特性计算 10

3.2.1 不同填充比对无限大Ge基底硅光栅的影响 10

3.2.2 不同槽深对无限大Ge基底硅光栅的影响 12

3.2.3 不同入射角对无限大Ge基底硅光栅的影响 12

3.3 有限大Ge基底硅光栅辐射特性计算 13

3.3.1 不同填充比对有限大Ge基底硅光栅的影响 13

3.3.2 不同槽深对有限大Ge基底硅光栅的影响 15

3.3.3 不同入射角对有限大Ge基底硅光栅的影响 16

3.4 本章小结 17

第四章 一维复杂光栅辐射特性研究 18

4.1 一维三槽复杂光栅 18

4.2 无限大Ge基底三槽复杂硅光栅的辐射特性研究 19

4.2.1 带宽调控分析 19

4.2.2 方向敏感性分析 21

4.2.3 槽深不同组合分析 22

4.3 有限大Ge基底三槽复杂硅光栅的辐射特性研究 23

4.3.1 带宽调控分析 23

4.3.2 方向敏感性分析 25

4.3.3 槽深不同组合 26

4.3.4 基底材料的影响 27

4.4 本章小结 28

第五章 太阳能电池效率 29

5.1 太阳能电池等效电路 29

5.2 太阳能电池电池效率 29

5.3 结果分析 31

5.4 本章小结 32

总 结 33

参考文献 34

致 谢 37

绪论

研究背景

上世纪以来，随着化石能源的不断减少以及环境污染日益严重，人们对可再生能源的开发利用越加重视，其中对太阳能的开发利用得到了广泛的关注。电磁辐射是一种能量传递现象，由于电磁辐射具有波长和方向的选择性，这对太阳能电池的热辐射光谱调控有了更高的要求。传统的热辐射理论主要集中于宏观大尺寸的物体，已经无法满足发展的要求，需要从微观角度分析电池光谱辐射特性，利用微结构实现热辐射光谱调控。

近年来，微结构表面光谱辐射控制问题引起了研究者们的广泛兴趣，许多研究者投入到这项问题的研究中来。起初，研究者们通过改变材料的光学特性来实现热辐射调控。而随着研究的不断深入，科研人员们发现通过改变微结构表面结构尺寸可以对微结构的热辐射特性会产生更大的影响。因此，利用微纳米结构来实现热辐射光谱调控被成为一种新型热辐射光谱能量调控方法。

国内外研究现状

目前，国内外对于利用微纳米结构实现热辐射光谱调控的研究主要集中在表面等离子体激元、微腔谐振效应和光学禁带效应，使得微结构可以实现更高效的光谱控制。通过模型的不同，对国内外研究现状进行综述。

微纳米尺度光栅的辐射调控研究

苟于春等人^[1]基于时域有限差分法(FDTD)，并根据麦克斯韦方程组，对比光栅结构和光滑表面结构的光谱特性，研究了金属光栅耦合的表面等离子极化(SPPs)和空腔谐振模(Microcavity Mode)现象。张建伟等人^[2]设计了一种基于SSPs的四层光纤布拉格光栅，并运用时域有限差分法(FDTD)进行模拟，给出了一种通过改变光栅周期来调谐反射光谱的方法。郭楚才等人^[3]利用时域有限差分法(FDTD)和散射矩阵方法计算了亚波长介质光栅的能带结构、本征模式以及反射谱。万明理等人^[4]设计了三种不同形状的光栅，即圆柱形、长方形、三角形光栅，通过有限元方法，分析了这三种不同结构的光栅对硅吸收层吸收效率的影响。Qiu J等人^[5]通过使用时域有限差分(FDTD)方法求解麦克斯韦方程，研究了铝的三角形光栅结构在中红外波长下的辐射特性。Cheng Q等人^[6]提出了了一种具有不同凹槽深度(脊高)的多个简单硅光栅的叠加凹硅复合光栅，作为在可见光和近红外波长区域中作为太阳能电池吸收剂的潜在应用，并运用严格耦合波分析法(RCWA)研究了各结构参数、入射角以及偏振角对光栅吸收率的影响。

一维、二维和三维光子晶体的辐射调控研究

郭斌等人^[7]采用时域有限差分法(FDTD)，分析了等离子体厚度，介质材料的介电常数等因素对一维等离子体光子晶体禁带特性的影响。章海峰等人^[8]采用等温近似，利用时域有限差分法(FDTD)所得的电磁波投射系数，讨论温度、等离子体层密度对一维非磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响。马力等人^[9]采用时域有限差分法(FDTD)，讨论了具有单一缺陷层的一维磁化等离子体光子晶体的缺陷层介电常数、厚度、位置、光子晶体的周期常数和等离子体参数对其缺陷模的影响。在光子晶体缺陷方面也有一些学者进行研究。刘少斌等人^[10]用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分(PLCDRC-FDTD)算法从时域和频域两个角度分析了等离子体光子晶体和缺陷等离子体光子晶体。熊翠秀等人^[11]利用传输矩阵法分析了材料色散对一维光子晶体缺陷模影响。范伟丽等人^[12]从麦克斯韦方程组出发，采用类似于量子力学Kronig-Penney模型求解周围势的方法，讨论了一维等离子体光子晶体介质层介电常数对能带结构的影响。郭茂田等人^[13]利用时域有限差分法(FDTD)，设计了一个一维ZnO/MgF₂光子晶体模型，讨论了不同周期数、不同薄膜厚度、不同厚度比和缺陷对光子晶体带隙的影响。刘广平等人^[14]设计了一种一维W-SiO₂光子晶体，对该一维晶体的光谱特性进行研究，研究成果可用于热光伏系统实现热辐射光谱控制。

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