纳米线增强太阳能光吸收率研究5Word文档格式.docx

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关键词：

太阳能，太阳能电池，RSOFT,硅纳米线结构

Abstract

Innanomaterials 

surface 

arraystructure 

growth 

ofsiliconfilmwith 

periodic, 

whichgreatlyimprovesthe 

solarlightabsorptionrateandconversionrate. 

Thesimulationwasconductedby 

usingRSOFT 

software, 

theeffectofdifferent 

nano 

linestructurefortheabsorptionofthe 

reflectivityoflight. 

Simulationisusedto 

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nanowires, 

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solarcellscanbecomparedtothegeneral 

solarcells, 

cansignificantlyimprovethe 

conversionefficiencyoftheradioandtelevision, 

which 

hasanimportantsignificancefor 

mankindenteredthe 

eraofnewenergy.

Keywords:

solarenergy, 

solarcell, 

RSOFT, 

siliconnanowirestructure

前言

能源是我们社会可持续发展的不可或许的物质。

地球上各个物种的进化包括人类各个阶段都离不开能源，推动人类发展的三次工业革命更是离不开能源，能源促使了社会的发展与人类的进步。

伴随着人类人口的增长，经济的发展，人类对能源的需求正在逐步增加，环境污染，生态恶化，能源匮乏这些问题正变得越来越严重。

人类对能源的使用大都是以石油，天然气，煤炭为主，参照目前的使用量来看，石油和天然气最多不超过半个世纪，对于煤炭更少，只有100-200年。

所以，能源匮乏所导致的危机正在日趋严重。

人类开始越来越关注再生能源的开发与利用，再生能源包括太阳能，水能，地热能，风能等，提高对这些再生能源的利用率已成为世界各国的共识。

在这些再生能源中，属太阳能应用最为广泛，太阳能主要是指太阳光所辐射的能量，现在主要用作发电和发热。

从地球产生开始，以太阳能为依赖，各物种得到了生产与发展。

最近几年内，太阳能发电技术越来越成熟，太阳能光伏产品也日趋变多，包括我们所熟悉的太阳能路灯，太阳能热水器，太阳能并网发电，太阳能汽车。

根据相关资料，在21世纪末期，太阳能发电在总的电力中将占高达60%的比例，这预示着全新能源时代将要到来。

太阳能电池是将太阳能转换成光能的器件，半导体p-n结型晶体管时太阳能电池的基础部件，美国贝尔实验室的Chapin等率先研制成功了转换效率约为6%的单晶硅p-n结太阳电池，太阳能电池的研究与发展由此展开。

目前世界对于太阳能电池的生产是具有垄断性的（只有少数几家公司掌握核心技术），目前国内太阳能电池平均光电转化率大概在17%-17.5%之间，无锡尚德的“冥王星”系列太阳能电池转化率达到19.2%，太阳能电池光电转化率正在逐步提高。

本论文主要研究生长在太阳能电池表面的纳米线结构对于其光电转化率的影响的研究。

通过在植入纳米线，提高太阳能电池的光电转化效率，研究的结果是肯定的，纳米线太阳能电池比较远普通的太阳能电池，有效提高了其光电转换效率，为了得到其最大的光电效率，我们将研究不同纳米线结构对于光电转化率的影响。

为了节约太阳能电池发电的成本，我们采用硅太阳能电池制作效率相等或者更高的太阳能电池，如果量产，其意义是不可估量的，基本实验条件，本实验只限于理论部分的研究，用软件进行仿真，得出最后结论。

本篇论文的模拟仿真软件是RSOFT软件，通过对不同纳米线结构的模拟仿真，得出最大转化率的值。

本文的第一章节，我将简述太阳能及其太阳能电池的一些基本知识。

第二章节介绍RSOFT软件的算法及其使用。

第三章节将是本文的主体部分，探索不同结构对光电吸收转换率的影响（本文主要讲硅纳米线对太阳能转换率的影响）。

第四章节是总结，同时也包括本人在论文耳朵写作过程中的一些感慨，心得。

第一章太阳能概述

摘要：

本章涉及

（1）引言；

（2）光伏效应；

（3）硅纳米线太阳能电池；

（4）现今太阳能的现状，发展及其趋势

1.1引言

太阳能是太阳内部发生氢氦聚变所产生的，来自太阳的辐射能量。

由于太阳能的存在，人类得以生存和发展。

太阳内部不停的核聚变使得太阳能是连续不断的。

在地球轨道上，太阳能平均辐射强度为1.369w/m2。

40,076km为地球赤道周长，通过计算，地球可获得173,000TW能量，辐射强度在海平面上为1kw/m2,地球某点的平均辐射强度为0.2kw/m2,类似于102,000TW的能量。

尽管能量是如此之大，通过光伏板件的光电转换，其利用率还是相当低的。

太阳能有如下的优点：

（1）普遍性：

太阳光普照大地，只要有光的地方就有太阳能，相比较于石油，煤炭等能源是相当普遍的。

（2）持续性：

由于太阳内部不断的氢氦聚变，太阳能将是持续不断的，根据太阳的核能产生速率来看，氢的储存量能够维持其聚变反应数百亿年，也就是说，太阳能是取之不尽用之不竭的。

（3）安全性：

作为最清洁能源之一的太阳能，太阳能不会对环境有污染，面对日趋严重的环境污染问题，这点是十分重要的。

（4）巨大性：

到达地球表面的太阳能巨大，每年的太阳能量相当于130万亿吨煤燃烧所产生的能量，其能源总量当属第一。

当然太阳能也有其缺点：

（1）不稳定性：

由于受到晴、阴、雨、云等随机因素以及海拔、地球纬度、季节、昼夜等自然条件的限制，到达地面的太阳辐射既不稳定，又是间断的，这对于太阳能的利用有较大影响。

为了使其与石油、煤炭这些常规能源向竞争，并最终替代常规能源，蓄能就显得尤为重要，而如今太阳能的开发利用最大的短板就是蓄能。

（2）分散性：

尽管到达地球表面的太阳能辐射总量大，但其能流密度非常低。

平均而言，靠近北回归线，在天气较为晴朗的夏季中午，太阳辐照度最大，在垂直于太阳光1m2面积能收到1000w左右的太阳能；

如果按全球日夜平均，将近有200w。

其量在冬季大概只有一半，阴天的话差不多有1/5，这样的能量密度是很低的。

所以，为了得到一定的转换效率，一般需要一套面积相当大的收集和转换设备，造价昂贵。

（3）成本高和效率低：

太阳能利用，理论上在某些方面是可行的，也拥有成熟的技术，但是太阳能设备效率低，成本高昂，即使实在实验室，利用效率也不超过30%，总的来说，其经济性还是不能常规的能源相抗衡。

太阳能的发展，在未来的一段时间内，大部分的阻碍来自于经济性制约。

太阳能的开发历史

根据资料显示，人类自从开始利用太阳能到如今已经有3000多年的时间。

在这些年的历史里，太阳能一般作为能源和动力加以应用[1]，而在近些年里，太阳能才被归类为新能源，“为了能源结构的基础”。

从20世纪70年代开始，人类加速了利用太阳能的进程。

1615年，法国工程师所罗门·

德·

考克斯发明了世界上第一台太阳能驱动的发动机，其原理是利用太阳能加热空气让其鼓胀做工而抽水。

[2]1615-1900年，多台太阳能动力装置被研发出来，原理几乎都是采用聚光方式利用太阳光，发动机功率较小，造价昂贵，实用价值不大[3]。

20世纪的100年间，可把太阳能科技发展分为8阶段。

第一阶段：

1900-1920年，对太阳能的研究重点还是其动力装置，且聚光方式变得多样化，采用平板集热器和低沸点工质，实用目的明确，但造价依然高。

[4]

第二阶段：

1920-1945年，由于第二次世界大战和矿物燃料的大量开发利用，太阳能不能解决对能源的急切需求，所以太阳能研究工作处于低潮。

第三阶段：

1945~1965年，第二次世界大战结束已有20年，一些学者开始意识到石油和天然气的正在逐步减少，提倡太阳能的研究与发展，被成立了太阳能学术组织。

太阳能研究热潮再一次兴起。

1945年，美国贝尔实验室研究出硅太阳能电池，为光伏发电提供了基础。

1955年，以色列泰伯等提出选择性涂层的理论基础，并成功研制，为高效集热器的研究创造基础。

1960年，第一套用平板集热器供热的氨—水吸收式空调系统被研制。

1961年，斯特林发动机产生。

第四阶段：

1965~1973年，由于太阳能投资大，效果不理想，无法和常规能源相竞争，太阳能发展得不到社会的支持，故研究工作停滞不前。

[5]

第五阶段:

1973~1980年，石油占据着重要的地位，决定了一个国家生死存亡、发展、衰退的重要因素。

让工业发达国家意识到新能源的开发，重新加强对太阳能及其可再生资源的开发利用。

70年代，世界出现太阳能开发与利用的热潮，太阳能热水器，太阳能电池等产品开始实现商业化。

第六阶段：

1980-1992年，由于核电的发展，太阳能产品居高不下，缺乏竞争力，太阳能开发利用再次被冷落。

[6]

第七阶段：

1992-至今，由于大量矿物质能源燃烧，全球环境污染，确立了可持续发展模式，世界各国加强了清洁能源技术的开发，我国制订了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能发展研究重点。

第八阶段：

全世界光伏板并网，储能男的问题得到了改善。

1.2光伏效应

“光生伏特效应“，简称”光伏效应“，指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生的地位差的现象。

一开始，由光子转换为电子，然后形成电压，最后形成电流的回路。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对，由于p-n结电场的作用，

电子从p区流向n区，空穴从n区流向p区，将电路接通，最终形成电流。

[7]

p-n结在太阳光照下，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都会产生载流子（电子-空穴对）。

但只有少数载流子能够引起光伏效应，由于P区的光生空穴和n区的光生电子属多子，都被势垒阻隔不能通过。

当p区的电子和n区的空穴和结区的电子空穴对（少子）发散的结电场周围时，在内建电场的作用下，从能漂移过结。

电子被拉向n区，空穴被拉向P区，也就是电子空穴对被内建电场所分离。

最终n区附近积累光生电子，p区附近积累光生空穴。

产生出的光生电场与热平衡p-n结内建电场方向相反，方向从p区指向n区，该电场使得势垒减少，减少量则为光生电势差，p为正端，n为负端。

光照在界面层所产生的电子-空穴对越多，电流越大。

吸收的光能越多，电池面积越大，太阳能电池的电流也将越大。

[8]

一般来说，随着电池材料及其结构的不同，光生伏特电池的物理机制和过程是很复杂的。

总体而言，所有光生伏特电池工作必须具备三个条件：

1入射光子被吸收产生电子-空穴对；

2电子-空穴对被分开，在复合之前；

3分离的电子和空穴被传到负载；

1.3硅纳米线太阳能电池

太阳能电池又被称为“光电池“或”太阳能芯片“，是利用太阳光直接发电的半导体薄片。

被照射的太阳光，立即输出电压，在有回路的情况下产生得到电流。

太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的设备。

其原理示意图如图1.1所示。

（图1.1太阳能电池原理图）

本次论文主要研究硅纳米线太阳能电池，当光入射到太阳能电池表面，硅材料吸收一部分光子，光子能量传递给硅原子，电子产生跃迁，形成自由电子。

自由电子在p-n结两端聚集形成电势差。

在电压的作用下，电流通过回路产生相应的输出功率。

其结构示意图如图1.2所示。

（图1.2硅纳米线太阳能电池结构示意图）

通过理论分析和数值计算可得，硅纳米线的反射率较低，应用在太阳能电池上可提高其光电转化率。

在硅纳米线太阳能电池中，硅纳米线既是电池的发射区，也是电池的减反射层。

作为减反射层，利用其优异的性能，通过光的多次发射，提高吸收效率。

因为硅纳米线不需要设计减反射结构，所以大大简化了工艺制造程序。

广义来说，光学损失和电学损失是影响太阳能电池效率的两个重要因素，光生载流子的分离与复合过程是低效率光电转化的重要原因。

硅纳米线产生光载流子的复合主要有两种方式：

1，其内部的复合2，纳米线阵列与电解液间固-液面上的复合.[9]另一方面，由于硅纳米线光生载流子内建电场的作用，载流子迅速漂移到硅纳米线表面，大大降低了光生载流子的复合速率，从而提高了光电转化效率。

另外根据数据显示，相比较于固体硅膜、单晶硅、多晶硅，在红外波段纳米线光吸收更强，有两方面原因，一是其较低的反射率，二是纳米线导致的缺陷对光子有着更强的俘获能力。

1.4现今太阳能的现状，发展及其趋势

人们对于石油、煤炭等天然资源的过度开发利用，这些不可再生资源正在变得越来越少，同时，我的环境也受到了严重污染。

太阳能作为清洁的可再生能源，被列入了第一考虑对象。

近几年，太阳能技术发展迅猛，尤其是在太阳能建筑上取得了很大的进展，为太阳能行业走向市场刻画了新的篇章。

虽然研究人员一直致力于太阳能电池的开发工作，也取得了很多成绩，但其想要完全的走向市场还需努力。

随着太阳能电池技术的不断完善与发展，太阳能必将揭开新能源时代的篇章。

[10]

根据联合国环境规划署资料显示，现在的矿物质燃料能够供应世界商业能源的95%，且其增长速度为20%。

如此大量的燃烧矿物质燃料也同时带来了很多问题。

[11]根据我国1981年对SO2、NOx、烟尘和CO四种量大面广的污染物发生量的统计结果显示，机动车和生产过程排出的污染物分别为10%和20%，由于燃料的燃烧所产生的污染物约占总污染物的70%，其中96%是由燃烧煤所致。

[12]因此，我国大气污染的主要污染来源是煤炭的燃烧。

煤，石油等天然物质的燃烧导致数十万吨硫等有害物质直接排入空中，造成严重的大气污染，局部地区还形成了酸雨等气象灾害，严重影响居民的生活质量和身体健康。

过去10年里，全球平均温度增加0.4摄氏度，海平面升高10-20cm。

其原因归根到底还是矿物质燃料的大量燃烧。

不久前，两个独立研究小组先后在《科学》杂志上报道：

其在利用太阳能合成化学燃料上都取得了突破性进展。

如果研究得以完善并走向商业能源领域的话，我们就可以利用太阳能作为可再生资源，为能源商业解决一切能源问题，同时也不会产出对环境有污染的气体。

我国同时也出台了《可再生能源法》和《可再生能源中长期规划》等一系列有利于光伏发电发展的政策，从战略层面和法律上对光伏企业作出了明确规划。

2009年，我国装机容量已达到350兆瓦，2010年超过500兆瓦，到2020年，争取使太阳能发电装机达到1.8GW（百万千瓦）。

其发展前景是很乐观的。

总之，太阳能发电将在不久的将来发挥其重要的作用，取代常规能源，占据能源市场的主体。

到2030年，可再生能源将占据总能源的30%，其中太阳能发电将占总电力的10%。

到2040年，可再生能源占总能源的50%，光伏发电也将占总电力的20%。

截止到21世纪末，太阳能发电将占据总发电量的60%以上。

通过这些数字，可以看出太阳能光伏产业的未来发展是很有前景的。

第二章模拟仿真软件制图

本章涉及

（1）RSOFT软件介绍

（2）模拟结构图的建立。

2.1RSOFT软件介绍

RSOFT软件是由美国RSOFT公司开发制作的，主要应用与光通信模拟设计和仿真，下面将对该软件做简要说明。

2.1.1软件说明

RSOFT软件基于光束传播法，是用于光波导器件设计和分析的软件。

光束传播法是当下对于光波导器件研究和设计最为流行的方法之一，他的基本思想是，在给定初始场的前提下，逐步计算出各个传播界面的场。

RSOFT软件有以下7个模块：

BeamPROP:

高集成计算机辅助设计和模拟仿真软件，该软件采用有限差分光束传播法来进行模拟分析光学器件，主程序是光路CAD设计系统和设计光波导元件。

FullWAVE:

是高度整合复杂光子组件设计仿真软件，基本分析方法是有限差分时域。

主控程序为CADLayout系统。

BandSOLVE:

目前唯一一套商用光子晶体能带结构模拟分析软件。

包括CAD和仿真功能，能自动计算所以光子晶体部件的能带结构。

GratingMOD:

设计分析光纤、波导光栅元件的软件。

一般用来分析已知的光栅结构。

DiffractMOD：

绕射光学结构模拟设计分析软件。

主要应用有，快速傅里叶分解，泛用传输线公式的严格耦合波分析。

FemSIM:

泛用光子元件解模器。

运用有限元素法透过粉均匀网格来计算元件中任何横切与腔体模态记录。

MOST:

优化设计分析光电元件的模组。

对于元件制造的设计周期来说，了解系统的完整参数空间是很重要的，MOST可简化参数扫描的定义计算和分析。

2.1.2RSOFT算法原理

ROSOFT基于光束传播法，其理论来自于波动方程，而波动方程建立在Maxwell的基础上。

Maxwell方程的形式为

公式中，E为电场强度，D为电矢量位移，H为磁场强度，B为磁感应强度，J为电流密度矢量，t为时间，

为体电荷密度。

对于各向同性、电中性介质、非磁性有

公式中，

为电导率，

为真空磁化率常数，

为介电常数。

通过公式合并得出

定义复相对介电常数

电场的矢量波方程为

采用同样的形式，可以得出磁场矢量波的方程

最终可以得到

考虑到TE模和准TM模，可以得出

该种方法已被成功的运用到分析Y型波导和S型弯曲波导的光波传输中，对于rsoft软件意义重大。

2.2模拟结构图的建立

本次论文主要运用RSOFT软件进行模拟仿真，其主菜单画面如图1.3所示。

（图1.3RSOFT主菜单）

先画出一根纳米线，如图1.4所示。

（图1.4一根纳米线）

对其进行设置如图1.5

（图1.5纳米线设置）

再根据一根纳米线，按一定半径和周期画出4根纳米线，如图1.6所示

（图1.64根纳米线的x,y,z和3D视角）

设置其指数剖面系数如图1.7

（图1.7指数剖面系数设定）

为检测是否正确，指数剖面如图1.8所示

（图1.8纳米线指数剖面）

从剖面图看出，所画纳米线以及各项参数设定正确。

下面我们将开始仿真，研究4根纳米线不同半径和不同周期对光反射吸收率的影响。

第三章硅纳米线增强光吸收率的研究

摘要:

本章节内容涉及

（1）不同排列分布对光吸收率的影响；

（2）不同纳米线周期阵列对光吸收率的影响；

（3）不同纳米线半径对光吸收率的影响。

（4）本章总结。

3.1不同排列分布对光吸收率的影响

上一章已经介绍了在RSOFT软件的基础上构造模型，这一章节将以上一章节做的结构模型作为基础，进行仿真，实验只要以硅纳米线为基础，通过改变4根纳米线的距离中心点的位置来研究半径的改变对光吸收率的影响。

我们将起始的纳米线分布（0.1μm,0.1μm）（-0.1μm,0.1μm）（-0.1μm，-0.1μm）（0.1μm，-0.1μm）作为参照，半径0.05nm，设其纳米线高度为2.33nm,周期为0.4nm,为了观察是否数据正确，先看其指数剖面，如图1.9所示。

（图1.9位置（0.1μm,0.1μm）（-0.1μm,0.1μm）（-0.1μm，-0.1μm）（0.1μm，-0.1μm）纳米线指数剖面）

根据图1.9所示，纳米线的设置正确，下面进行仿真如图2.0.

（图2.0位置（0.1μm,0.1μm）（-0.1μm,0.1μm）（-0.1μm，-0.1μm）（0.1μm，-0.1μm）光反射透射吸收图谱）

从图2.0可得出，随着波长的增加，总反射率基本保持平衡，趋于5%，总透射率成上升趋势，最后趋近于1，透射越多，相反吸收也就越少，所以随着波长的增加，吸收率在波长为1.0μm后为0，同时，透射率为100%。

将位置集中点为（0.08μm,0.08μm）（-0.08μm,0.08μm）（-0.08μm,-0.08μm）（0.08μm，-0.08μm），半径为0.05不变，纳米线阵列的周期不变，依然为0.4nm，高度也不变，为2.33nm。

进行仿真得出图2.1.

（图2.1位置（0.08μm,0.08μm）（-0.08μm,0.08μm）（-0.08μm,-0.08μm）（0.08μm，-0.08μm）纳米线的反射透射吸收图谱）

从图中看出，整体的反射率有趋于6%-7%，高于半径为0.1nm时的纳米线反射率，在波长为0.4μm时透射率明显升高，同时，吸收率显著下降，但总的趋势还是，吸收率逐步下降，在波长为1.0μm后为0，透射率渐渐上升，在波长为1.0μm后为1.

下面更加集中四根纳米线位置，（0.06μm，0.06μm）（-0.06μm,0.06μm）（-0.06μm,0.06μm）（0.06μm,-0.06μm），保持半径，周期，高度不变，仿真结果如图2.2所示

（图2.2位置（0.06μm，0.06μm）（-0.