寬帶吸波元件及其在太陽能相關器件中的應用.pdf

1、太陽能發(fā)電作為目前被廣泛使用的太陽能利用方式，主要包括太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電，這兩種發(fā)電方式都離不開對太陽光的吸收。為充分吸收太陽光，寬帶吸波元件必不可少。利用人工電磁介質(zhì)以及表面等離子體效應，能夠很好地實現(xiàn)寬帶吸波。本論文以基于人工電磁介質(zhì)以及表面等離子體的寬帶吸波器件為研究對象，探討新型寬帶吸波器件實現(xiàn)，及其在薄膜太陽能電池和太陽能熱光伏系統(tǒng)中的應用。
　　首先，我們在理論和實驗上提出了兩種新型寬帶吸波器件，包括基于錐形

2、同軸孔陣列的可見光吸波器以及基于多層人工電磁介質(zhì)的寬帶吸波器。對錐形同軸孔吸波器，理論上可得到覆蓋300-900nm波段的偏振不敏感的寬帶吸收效果，平均吸收達0.9345，這源于同軸孔結(jié)構(gòu)的強散射以及孔內(nèi)縫隙表面等離子體的強局域性質(zhì)。通過聚焦離子束制備樣品，得到和理論較匹配結(jié)果;對多層人工電磁介質(zhì)吸波器，利用其獨特的雙曲線色散關系實現(xiàn)偏振不敏感的超寬帶吸收效果。在0.5-2.5μm波段的理論吸收率均超過90％，實驗樣品測試結(jié)果很好地驗證

3、了寬帶吸波理論和仿真設計方法。對以上兩種吸波器，都通過將兩個不同尺寸結(jié)構(gòu)放置于同一周期內(nèi)實現(xiàn)吸收譜的拓寬。
　　接下來，我們在理論上探討了一種能夠改善薄膜太陽能電池性能的寬帶吸波結(jié)構(gòu)，提出了一種核殼納米光柵非晶硅太陽能電池，并給出了一個最優(yōu)化設計方案。我們開展了詳細系統(tǒng)的光學特性分析，結(jié)果表明:太陽光進入我們結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)變?yōu)樗絺鬏數(shù)牟悸搴詹ㄒ约氨砻娴入x子體波，使得該結(jié)構(gòu)具有超寬帶、全方位且偏振不敏感的優(yōu)良光學吸收性質(zhì)，與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)

4、相比，可顯著提高光電流45％左右。
　　最后，我們探討了寬帶吸波器件在太陽能熱光伏系統(tǒng)中的應用，重點考察了光譜選擇性調(diào)控，并設計出適用于該系統(tǒng)的選擇性吸波器和選擇性輻射器。我們同時在理論和實驗上提出了一種基于棋盤狀鍺納米方塊陣列的選擇性吸波器，利用鍺納米方塊中強光學腔諧振效應以及諧振模式和相鄰結(jié)構(gòu)、底部鉭基底之間的耦合，獲得優(yōu)異光譜選擇性，實驗結(jié)果很好地驗證了理論設計。我們也對該選擇性吸波器進行了熱學分析，結(jié)果再次證明了光譜選擇性