底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列太阳能电池

提出了一种基于底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列的太阳能电池,利用有限差分时域法和有限元方法对其光谱吸收和光伏性能进行了研究.结果 表明,将聚合物和衬底之问的SiO2替换为低折射率的MgF2介质层,不仅显著降低了衬底的吸收损耗,还显著提高了纳米线阵列在整个波长范围内对光的吸收率.此外,通过优化i区厚度和纳...     

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力. 通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结. 针对以上三种应用, 本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在 300-1100 nm 波段的光学特性. 结果表明, 当硅纳米线作为太阳电池的减反层时, 周期P=300 nm, 高度H=1.5 μm, 填充率(FR)为0.282条件下时, 反射率最低为7.9%. 当硅纳米线作为轴向p-n结电池时, P=500 nm, H=1.5 μm, FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%. 硅纳米线作为径向p-n结电池时, 其光吸收主要依靠纳米线, 硅纳米线P=300 nm, H=6 μm, FR= 0.349 条件下其吸收效率高达32.4%, 进一步提高其高度吸收效率变化不再明显. 此外, 本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质, 与周期性硅纳米线阵列相比, 直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高, 相比于周期性硅纳米线阵列, 优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%, 吸收效率为27.8%. 本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化, 为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.     

光栅减反层太阳能电池光电转换效率的研究

运用时域有限差分方法,研究了光栅减反层结构对太阳能电池光电转换效率及储能效果的影响.具体从光栅形状、高度以及光栅表面金属薄膜厚度出发.结果表明经光栅减反层优化表面结构的太阳能电池的光电转换效率显著增大,储能效果大大得到提升.尤其是三角形光栅太阳能电池.随着镀层厚度的增加,储能效果增加,但当薄膜厚度过厚时,储能效果反而降低.     

纳米银增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构 的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度, 从而影响了器件对入射光的吸收. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%. 关键词： 纳米银 表面等离子体共振 时域有限差分 聚合物太阳能电池     

微纳光栅结构增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池,因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收.在聚合物功能层表面引入微纳光栅结构可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.本文基于时域有限差分方法仿真得到了光栅周期为1μm,占空比为0.5以及入射波长分别为500和700 nm时二维器件内光电场分布;并基于严格耦合波分析方法计算得到了不同光栅深度和光栅占空比的器件光吸收.理论分析表明:插入微纳光栅结构后,由于光栅衍射增强作用使器件内出现了光聚焦现象;当占空比为0.5时,光栅深度为10 nm的器件在入射波长为512 nm时,器件光学吸收增加了4.2%.基于聚二甲基硅氧烷的微压印技术,制备了微纳光栅结构聚合物太阳能,器件结构为ITO/PEDOT:PSS光栅层/P3HT:PCBM/LiF/Al.该器件与平板器件的性能对比实验证实,通过在PEDOT:PSS上引入微纳光栅结构,器件能量转化效率增加了31%.     

五边形截面的Ag纳米线局域表面等离子体共振模式

五边形截面的单晶Ag纳米线对ZnO量子点荧光具有增强的现象. 为解释这一现象, 利用时域有限差分法对五边形截面的Ag纳米线的局域表面等离子体共振模式进行了理论模拟. 结果表明, 五边形截面的Ag纳米线在紫外区域存在两个消光峰, 分别由Ag纳米线的横向偶极共振(340 nm)和四极共振(375 nm)引起; 这两个消光峰与ZnO量子点荧光增强峰相一致, 而且随着Ag纳米线的半径增大而红移; 消光峰对应的共振模式取决于Ag纳米线的截面形状; 根据Ag纳米线电场增强倍数与激发光波长变化关系曲线可知, 最大增强电场位于五边形截面的顶点处, 而边线处电场增强较小. 理论模拟的结果较好地解释了Ag纳米线/ZnO量子点体系的荧光增强现象, 也为Ag纳米线在提高半导体材料发光效率、生物探测等方面的应用提供有益的参考.     

基于表面等离子体共振效应的椭圆柱银纳米线的光力研究

运用有限时域差分方法,研究了两椭圆柱银纳米线之间的光力及其物理机制,并且分析了椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置对光力的影响.结果表明:椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置等结构参量的变化导致两椭圆柱银纳米线之间光力的明显变化.由于局域耦合共振,Ag纳米颗粒间的内壁上存在电子的振荡行为,将微腔中光子的能量转化成电子集体振荡的动能,这使得微腔中的电磁场能量减小到负能态,从而产生收缩的负光力.因此,Ag纳米颗粒间相互吸引.     

非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

基于表面等离子体共振效应的椭圆柱银纳米线的光力研究

运用有限时域差分方法,研究了两椭圆柱银纳米线之间的光力及其物理机制,并且分析了椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置对光力的影响.结果表明:椭圆柱银纳米线的尺寸以及相对位置等结构参量的变化导致两椭圆柱银纳米线之间光力的明显变化.由于局域耦合共振,Ag纳米颗粒间的内壁上存在电子的振荡行为,将微腔中光子的能量转化成电子集体振荡的动能,这使得微腔中的电磁场能量减小到负能态,从而产生收缩的负光力.因此,Ag纳米颗粒间相互吸引.     

一种新方法制备硅/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)核/壳纳米线阵列杂化太阳能电池

采用气相聚合法制备了有机/无机杂化的硅/聚3, 4-乙撑二氧噻吩核/壳纳米线阵列(SiNWs/PEDOT)太阳能电池. 相对平面结构Si/PEDOT太阳能电池, SiNWs/PEDOT太阳能电池的能量转换效率提升了7倍, 达到3.23%.对比分析反射光谱、I-V曲线及外量子效率的实验结果, 发现SiNWs/PEDOT太阳能电池性能改进的主要原因可归结为: 气相聚合法能够有效地制备出SiNWs/PEDOT电池的核/壳纳米线阵列结构, 使得器件具有高光捕获、高比结面积和高电荷收集效率. 关键词： Si/PEDOT核/壳纳米线结构 太阳能电池 气相聚合     

新型硅薄膜太阳能电池混合陷光结构

针对应用于薄膜太阳能电池的一种混合陷光结构进行了分析研究,该结构由位于电池正面的电介质颗粒和位于电池背面的金属颗粒构成.运用有限时域差分法模拟分析了正面电介质颗粒与背面金属颗粒对光吸收增强的不同作用范围.运用电场图分析了其对光吸收增强的机制,包括两种颗粒的散射作用和金属纳米颗粒的表面等离子体近场增强作用.分别优化了正面电介质颗粒和背面金属颗粒的材料、大小等参量,获得了一种优化后的混合陷光结构.实验表明带有这种混合陷光结构的电池短路电流密度相对于参考电池提高了30.3%,该方法为提高薄膜太阳能电池效率提供了新思路.     

高温处理工艺对低压MOCVD外延GaAs/Ge太阳电池的影响

采用自制的低压金属有机化学汽相淀积LP-MOCVD设备,在Ge衬底(100)面向(111)偏9°外延生长出GaAs电池结构,对电池材料进行了X射线衍射分析另外,对由此材料制成的太阳电池进行了性能测试,测试结果表明,Ge衬底的高温处理工艺对GaAs/Ge太阳电池的电流电压特性有一定的影响试验表明,在600～700℃之间高温处理效果较好。     

基于杂质光伏效应的镍掺杂对砷化镓太阳电池性能的影响

利用杂质光伏效应能够使太阳电池充分利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子,从而提高电池的转换效率.为了更好地利用杂质光伏效应提高砷化镓太阳电池的转换效率,本文利用数值方法研究在砷化镓太阳电池中掺入镍杂质以形成杂质光伏太阳电池,分析掺镍对电池的短路电流密度、开路电压以及转换效率的影响;同时,探讨电池的陷光结构对杂质光伏太阳电池器件性能的影响.结果表明:利用杂质光伏效应掺入镍杂质能够增加子带光子的吸收,使得电池转换效率提高3.32%;转换效率的提高在于杂质光伏效应使电池的红外光谱响应得到扩展;另外,拥有良好的陷光结构是取得好的杂质光伏效应的关键.由此得出:在砷化镓太阳电池中掺镍形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高砷化镓太阳电池转换效率的新方法.     

Light Harvesting and Enhanced Performance of Si Quantum Dot/Si Nanowire Heterojunction Solar Cells

Si nanowires (Si NWs) structures with good antireflection and enhanced optical‐absorption properties are used to fabricate Si quantum dots/Si NWs heterojunction solar cells. The Si NWs prepared by the metal‐assisted chemical‐etching technique exhibit a very low reflection in a wide spectral range (300–1200 nm). Correspondingly, the optical absorption reaches as high as 88.9% by weighting AM1.5G solar spectrum. Both the short current density and open current voltage are improved compared to the reference flat cell. However, the photovoltaic properties are degraded by varying the Si NWs with long etching time, possibly due to the increased etching‐induced surface states. The optimal Si NWs lead to the best cell with the power conversion efficiency of 11.3%.     

超微光子晶体多模干涉型滤波器的设计与优化

根据对称入射时的自映像原理,设计了一种基于光子晶体多模波导的超微滤波器,对于进入该种器件的1.31 μm和1.55 μm两种通信波长的光信号,能够在通过一种波长的同时,对另一种波长进行阻隔,整个器件的长度不超过15 μm.讨论了该滤波器的输出效率,并通过调整位于单模波导与多模波导联结处的介电柱位置对结构进行优化.优化后的结构具有高的输出效率和较宽的带宽.时域有限差分法的模拟结果表明该器件是可行的.     

双面太阳能组件辐照度模型的优化

为有效分析固定倾斜安装的多排双面太阳能组件背面辐照度,通过视觉因子辐照度模型分析,将行间距为D的地面划分为n段,并区分阴影区和非阴影区,经过对地面接收散射辐照度的视觉因子,及各电池接收地面反射视觉因子的修正,实现了组件背面辐照度模型改进.模拟与实验结果表明:在某晴朗天气下,倾斜角为26°,离地高度为1.5 m,行间距为...     

Plasmon enhanced light trapping in thin film GaAs solar cells by Al nanoparticle array

Light trapping is a crucial factor to enhance the performance of thin film solar cells. For effective light trapping, we introduced Al nanoparticle array on the top and rear surface of thin film GaAs solar cells. The effect of both array on the optical absorption and current density of solar cells is investigated by using finite difference time domain (FDTD) method. The optimization process of top and rear array in solar cells is done systematically. The results indicate that by plasmonic action of arrays, the optical absorption is significantly enhanced and optimized structure yields a current density of 25.77 mA/cm². These enhancements are mainly attributed to surface plasmon effects induced by Al nanoparticles and the light grating properties of the arrays.     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.     

Analysis of femtosecond optical pulse propagation in one-dimensional nonlinear photonic crystals using finite-difference time-domain method

In this paper, we have used the finite-difference time-domain (FDTD) method to analyze the optical pulse propagation in a nonlinear, one-dimensional photonic crystal (1DPC). Hyperbolic secant pulses with various carrier wavelengths are utilized in this study. In a nonlinear regime, a 1DPC introduces a photonic band-gap whose central wavelength and width depend on the input pulse intensity. In the present work, three different cases are considered. These correspond to the carrier wavelengths of the incident pulses being out of, near to, and partially in the band-gap. For each case, the effect of nonlinearity on pulse propagation is investigated. Also, we have analyzed the two-frequency regime, in which each of the two pulses has a different carrier frequency (wavelength). This kind of study can be done directly with FDTD without any further computational burden but it is somewhat complicated using nonlinear coupled-mode equations (NLCME) and nonlinear Schrödinger equation (NLSE), which require separate treatments for each carrier wavelength.