叠层荧光集光太阳能光伏器件的性能模拟和优化

荧光集光太阳能光伏器件可以减少太阳能电池的用量,有效降低光伏发电的成本.相对于单层荧光 集光太阳能光伏器件,叠层荧光集光太阳能光伏器件能分波段充分利用太阳光谱,提高荧光集光太阳能光伏 器件的效率,进一步降低光伏发电的成本.但是,叠层荧光集光太阳能光伏器件涉及较多的参量,难以通过实验 优化.本文分析了从单层到叠层荧光集光太阳能光伏器件的全部物理过程,建立了数学模型,并相应编制了 计算机模拟软件.运用上述软件,系统研究了器件尺寸、太阳能电池的带隙对光电转换效率的影响.     

光子晶体对稀土上转换发光的调控

稀土掺杂上转换材料由于其高化学稳定性、低生物毒性,在发光显示、防伪和生物成像等领域得到了广泛的应用。稀土掺杂上转换材料的基质晶格和掺杂离子决定着其发光强度和颜色。光子晶体(PCs)是折射率不同的材料在空间周期性排列形成的有序结构,其最显著的特征是具有光子禁带(PBG)。波长位于光子禁带内的光不能透过光子晶体而被反射回来,因而光子晶体具有优异的光调控能力。本文综述了一维、二维和三维光子晶体对稀土上转换发光调控的进展,介绍了利用光子禁带与上转换荧光发射峰的相对位置对发光进行控制的方法。重点从蛋白石结构和反蛋白石结构两个方面论述了三维光子晶体对上转换发光的调控:对于反蛋白石光子晶体,综述了利用上转换材料构筑反蛋白和利用其他材料构筑反蛋白,通过布拉格反射调控上转换材料的发光;对于蛋白石光子晶体,论述了利用不同折射率胶体微球构筑三维光子晶体对稀土上转换发光进行调控。最后总结了利用等离子体共振和光子禁带共同作用调控上转换发光的研究现状,并展望了利用光子晶体调控上转换发光的发展方向。     

硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备

从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器.首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响.基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器.通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500—750 nm波长范围红移至650—1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%.将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%.同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响.研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.     

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.     

半透明有机太阳能电池

与其他利用太阳能的电池相比,有机太阳能电池成本低、易加工,而且拥有柔性,可大面积制备成半透明和不同颜色的器件,引起了科学工作者的广泛兴趣,这使有机太阳能技术在市场上具有巨大的应用前景,例如,智能传感器、发电玻璃窗、房屋建筑、温室、户外生活等.将讨论有机太阳能电池的基本光伏过程以及如何实现半透明有机太阳能电池光电转换效率和可见光透射率的最优化.     

一维光子晶体禁带特性的研究

应用传输矩阵法研究了一维光子晶体的禁带特性,数值模拟得到了一维光子晶体TE模、TM模和TE/TM模禁带结构,计算结果表明,介质层的厚度发生变化时,禁带宽度发生变化。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

基于金属纳米球等离增强的高效钙钛矿/硅电池设计

以钙钛矿为顶、晶硅为底的钙钛矿/硅叠层电池可以提高太阳光谱的利用率,突破单结电池中的肖克利极限(SQ极限),是实现更高光电转换效率的有效途径之一.如何降低光子在电池表面和界面的传输损失,最大化响应层的吸收效率是其中的关键.本文通过时域有限差分法和严格耦合波分析,系统研究了不同种类金属纳米球对钙钛矿/硅叠层电池的光谱响应和能量转换效率的增强机制.结果表明,由于表面电子云对光波的共振增强,金属纳米结构的引入显著提升了光子进入到电池响应层的透射率,电池总的吸收光谱和量子响应效率因而得到明显提升.对于最优的Al纳米球,观察到的加权平均透射率从73.16%提升到79.15%,电池能量转换效率从23.09%提高到24.97%,效率相对提高了8.14%.     

不同参数对一维光子晶体透射谱的影响

利用传输矩阵法计算并分析了垂直入射下一维光子晶体的透射谱特性,数值模拟得到两种介质的折射率不变,入射波长减小时中心波长减小,禁带宽度变窄。当入射波长不变时,两种折射率比值变大时禁带宽度变大,实验结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

利用二维光子晶体提高波的耦合效率

通过多重散射方法数值模拟研究和实验测量表明利用二维光子晶体可以提高波的耦合效率.研究发现,高的波耦合效率通常发生在光子禁带的边沿和其它非禁带区的某些频率处.当光子晶体的晶格常数接近于所传输的波的波长时,会出现很高耦合效率的共振耦合现象.利用二维光子晶体的情况下的波耦合效率最高可以达到不利用二维光子晶体时的1.89倍.这种现象在光集成器件中尤其有用.     

一维光子晶体的透射谱特性

利用传输矩阵法研究了一维光子晶体的透射谱特性,数值模拟得到了可见光波段一维光子晶体中的透射谱特性,计算结果表明可见光波段入射波长变化时,透射谱禁带宽度发生变化。研究结果为可见光波段一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

一维液晶光子晶体透射谱的研究

一维液晶光子晶体在光滤波器、低阈值激光器和光开关等领域有着很好的应用前景。研究了一维液晶光子晶体的透射谱,电压范围在0～10V内,光谱调谐范围约为50nm,透射峰半高宽为18nm,禁带宽度近400nm。进一步提出了非偏振光型液晶光子晶体,设计了相互垂直0°扭曲取向的双液晶层一维液晶光子晶体器件。双液晶层起到了对各向偏振光光程的补偿作用,使得禁带中的两个透射峰合并为一个透射峰,加强了光强度,增强了滤波性能。     

非线性一维光子晶体光开关与光双稳

设计和制备了ZnS/ZnSe叠层共 2 0个周期的非线性一维光子晶体光开关与光双稳器件 理论模拟了波长 5 14 .5nm的氩离子激光 ,在阈值功率密度 1.0× 10 5W/cm2 下 ,完全移出光子禁带 ,实现了光开关 同一器件也可作为光学双稳器件 ,实验测出其阈值功率密度为 1.38× 10 5W/cm2 ,双稳开关时间为 10 0ps 理论与实验结果基本一致     

非晶硅太阳电池结构模拟设计

为了从理论上分析提高非晶硅太阳能电池的转化效率,运用微电子和光子结构分析一维器件模拟程序模拟非晶硅太阳电池a-SiC∶H/a-Si∶H/a-Si∶H结构,分析比较了不同前端接触透明导电层的功函数ФITO、禁带宽度、本征层厚度、掺杂浓度、缺陷态密度等因素对太阳电池性能的影响.模拟得到,在功函数达到5.1 eV,禁带宽度1.8 eV,本征层厚度265 nm等最优化条件下,非晶硅太阳能电池转化效率达到9.855%,比一般非晶硅太阳能电池转化效率高近2%.     

偏振态对复周期光子晶体禁带的影响

对于一维复周期光子晶体,当制作用的波长满足一定条件时可以实现禁带的展宽,本文利用传输矩阵法数值计算了偏振态对折射率渐变的一维复周期全息光子晶体的禁带的影响。通过计算发现,制作波长不等的复周期结构光子晶体,随着再现光的照射角度增大,S偏振态下禁带出现分裂;P偏振态下禁带均可视作完整展宽,没有分裂现象。同一制作波长两次曝光制作的复周期结构,不论是P偏振还是S偏振,禁带均实现展宽而没有分裂。这一结果对实现一维全息光子晶体禁带展宽具有指导意义。     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变；若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

一维光子晶体的电磁波理论及实现方法

对一维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解做了详细的推导,给出了光子晶体中的禁带存在的理论依据,并以此分析了禁带的特征.同时,对一维光子晶体的光学理论做了阐释,并应用于一维光子晶体的设计实践.列举了两个多层周期介质膜的禁带特性.最后对光子晶体的应用和制造前景做了展望.     

由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体结构中的缺陷模

用转移矩阵方法研究了由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体的透射特性.研究结果表明:当缺陷层存在时,会在原有光子晶体的禁带中出现缺陷模.缺陷模的位置随杂质层磁导率μ的增加从禁带的高频端向低频端移动;但随杂质层介电常数ε的增加却从禁带的低频端向高频端移动.利用该特性可以实现对光传播的动态调控. 关键词： 单负材料 光子晶体 缺陷模     

用特征矩阵法研究一维激光全息光子晶体的禁带特性

介质中传播方向相反的2束激光干涉可形成具有一维周期结构的体积全息图,而这种全息图可以看作一维光子晶体,称为一维激光全息图光子晶体,用特征矩阵法研究了一维激光全息图光子晶体的透射谱中的禁带随入射角、记录波长、介质折射率、折射率调制度的变化规律。结果表明：当入射角变大,激光波长、介质折射率及介质折射率调制度变小时, 禁带的位置向短波方向移动, 禁带宽度减小。     

一维光子晶体的透射率特性

基于传输矩阵法,设计多层一维光子晶体,改变层数和入射角度,应用MATLAB语言进行仿真计算,得到入射角度为0.2rad时,8、16、24层和32层一维光子晶体在[9.77-23.39]THz频范围内存在一个低传输率的传输禁带,只是在两侧的低频和高频部分Fabry-Perot峰变得越来越紧密.改变入射角度为0.1rad、0.2rad和0.3rad时,在低频带范围Fabry-Perot峰变化不大,传输禁带依次增大,高频带部分逐渐压缩.研究结论为一维光子晶体传输器件的设计提供参考.     

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的研究进展

有机—无机杂化钙钛矿电池因其禁带宽度可调、光吸收系数高、光电转化效率高、制备成本低等优点而被用于硅基叠层太阳能电池中,使得太阳能电池的转换效率提高,生产成本降低,应用范围也更为广泛。文章介绍了钙钛矿吸收材料和钙钛矿/晶硅叠层电池的工作原理,对钙钛矿/晶硅叠层电池的类别、影响其性能的主要因素进行了归纳综述,对钙钛矿/晶硅叠层电池未来发展进行了展望。