基于FDTD算法的周期結(jié)構(gòu)雙光柵薄膜太陽能電池的設(shè)計與研究

1.8萬字
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摘要 近年來,環(huán)境污染和能源衰竭等問題與全球經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾越來越突出。為了解決經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾，人們一直致力于尋找綠色環(huán)保的新能源。太陽能作為一種可再生能源有著其它能源不可比擬的優(yōu)勢。因此，越來越多的人投身于太陽能電池的研究。為了減低太陽能電池的成本，采用非晶硅材料以及太陽能電池的薄膜化都是人們研究的主要方向。
本畢業(yè)設(shè)計是基于SPP模增強光吸收的機理，將傳統(tǒng)光陷和新型光陷技術(shù)結(jié)合，設(shè)計一款擁有寬吸收帶寬和高吸收效率的周期結(jié)構(gòu)雙光柵薄膜太陽能電池。且利用時域有限差分算法（FDTD）并結(jié)合周期邊界條件（PBC），研究了加入周期雙光柵結(jié)構(gòu)后薄膜太陽能電池的吸光效率，并分析了前后光柵的溝槽深度和寬度以及后光柵材料對薄膜太陽能電池吸光效率的影響。本文所計算模擬的是一個具有周期結(jié)構(gòu)的二維的雙光柵薄膜太陽能電池，本文首先介紹了該模型以及相關(guān)原理知識，接著用程序驗證周期邊界條件加入是否正確，最后是對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：FDTD ，周期邊界，光柵，薄膜太陽能電池，吸光效率



Design and Research of periodic structures double grating
film solar cells based on FDTD algorithm
Abstract In recent years, the contradiction between the environmental pollution and energy failure problems and global economic development is more and more prominent. In order to solve the contradiction between economic development and environmental pollution, people are always looking for new green energy . Solar energy as a renewable energy has incomparable advantages as other energy sources. Therefore , more and more people join in the study of solar cells . To reduce the cost of solar cells , amorphous silicon solar cells and thin-film materials are the main direction of researchers.
This graduation design is based on SPP mode to enhance light absorption,combine the traditional light trapping with new light trapping technology to design a cycle structure of double grating thin film solar cell with a wide absorption bandwidth and high absorption efficiency. And the use of finite difference time domain method (FDTD) combined with periodic boundary conditions (PBC)to study absorption efficiency of thin film solar cells after adding period double grating structure , and analyzed the impact on efficiency of light absorption of thin film solar cell with different trench depth and width of the front and rear grating and different grating material. In this paper, the computing simulation is a double grating with periodic structures of two-dimensional thin film solar cells,this paper first introduces the model and the related theory knowledge, then use the program to verify the correct periodic boundary conditions, and finally analyzed the simulation results.

Key words: FDTD, periodic boundary, grating, thin film solar cells, light-absorbing efficiency


目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 薄膜太陽能電池在國外的發(fā)展 2
1.2.2 薄膜太陽能電池在國內(nèi)的發(fā)展 3
1.3 研究內(nèi)容 4
1.4 本文內(nèi)容安排 4
第二章 基礎(chǔ)知識介紹 5
2.1 麥克斯韋方程 5
2.2 FDTD算法介紹 6
2.2.1 FDTD的基本原理 6
2.2.2 二維TE波的FDTD差分方程 8
2.3 Drude模型 9
2.3.1金屬的介電常數(shù) 10
2.5 本章小結(jié) 11
第三章 表面等離子體相關(guān)知識 12
3.1表面等離子體基本原理 12
3.2 表面等離子體激發(fā)方式 16
3.2.1 棱鏡耦合激發(fā) 16
3.2.2 光柵耦合激發(fā) 18
3.2.3 近場激發(fā) 18
3.2.4 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激發(fā) 19
3.2.5 局域表面等離子體共振激發(fā) 19
3.3 表面等離子體激元增強薄膜太陽能電池技術(shù) 19
3.3.1表面等離子體激元增強光吸收原理 20
3.4 本章小結(jié) 22
第四章 計算模型及原理 23
4.1 計算模型 23
4.2 金屬色散介質(zhì)FDTD迭代式的推導(dǎo) 24
4.3 周期結(jié)構(gòu)的FDTD算法 26
4.3.1 Floquent 定理 26
4.3.2 周期結(jié)構(gòu)的FDTD迭代式推導(dǎo) 27
4.4 數(shù)值驗證 29
4.5 本章小結(jié) 30
第五章 仿真結(jié)果分析 31
5.1光柵溝槽深度對薄膜太陽能電池光吸收效率的影響 32
5.1.1 前光柵溝槽深度對薄膜太陽能電池吸光效率的影響 32
5.1.2 后光柵深度對薄膜太陽能電池光吸收效率的影響 33
5.2 光柵溝寬度對薄膜太陽能電池光吸收效率的影響 35
5.3 后光柵材料對薄膜太陽能電池光吸收效率的影響 36
5.4 本章小結(jié) 36
第六章 總結(jié)和展望 37
致謝 38
參考文獻(xiàn) 39