纳米线增强太阳能光吸收率研究5

苏州大学本科生毕业设计（论文）1目录摘要……………………………………………………………………………………………………………3前言……………………………………………………………………………………………………………5第一章太阳能概述……………………………………………………………………….…..6第1.1节引言………………………………………………………………….………..6第1.2节光伏效应…………………………………………………..…………..….7第1.3节硅纳米线太阳能电池……………………………………...….8第1.4节现今太阳能的现状，发展及其趋势………………..9第二章模拟仿真软件制图……………………………………………..………11第2.1节RSOFT软件介绍………………………….…………….……11第2.1.1节软件说明……………………………….……………………11第2.1.2节RSOFT算法原理……………………………………….….11第2.2节模拟结构图的建立……………………………………………14第三章硅纳米线增强光吸收率的研究………………………………….17第3.1节不同排列分布对光吸收率的影响……………….……17第3.2节不同纳米线周期阵列对光吸收率的影响………..22第3.3节不同纳米线半径对光吸收率的影响……………..…23第3.4节本章小结……………………………………..………………………24第四章论文总结………………..……………………………………………..…..….26参考文献……………………………………………………………………………….………..27致谢……………………………………………………………………………………………..…..28苏州大学本科生毕业设计（论文）2苏州大学本科生毕业设计（论文）3摘要在硅基薄膜表面生长具有周期性的纳米材料阵列结构，能够极大提高太阳能电池的光吸收率和转换率。通过使用RSOFT软件进行仿真，观察不同纳米线结构对于光的吸收反射率的影响。模拟仿真采用的是4根硅纳米线，通过对其周期和不同半径的改变，得出其不同半径和周期对光吸收反射率的影响。实验结果表明，硅纳米线太阳能电池能相比于一般太阳能电池，能显著提高其广电转换效率，这对于人类迈入新能源时代具有重要的意义。关键词：太阳能，太阳能电池，RSOFT,硅纳米线结构Abstract苏州大学本科生毕业设计（论文）4Innanomaterialssurfacearraystructuregrowthofsiliconfilmwithperiodic,whichgreatlyimprovesthesolarlightabsorptionrateandconversionrate.ThesimulationwasconductedbyusingRSOFTsoftware,theeffectofdifferentnanolinestructurefortheabsorptionofthereflectivityoflight.Simulationisusedtofoursiliconnanowires,throughitscycleanddifferentradiuschangesthataffectdifferentradius,thecycleoflightabsorptionandreflectance.Theexperimentalresultsshowthat,thesiliconnanowiresolarcellscanbecomparedtothegeneralsolarcells,cansignificantlyimprovetheconversionefficiencyoftheradioandtelevision,whichhasanimportantsignificanceformankindenteredtheeraofnewenergy.Keywords:solarenergy,solarcell,RSOFT,siliconnanowirestructure前言苏州大学本科生毕业设计（论文）5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。第一章太阳能概述苏州大学本科生毕业设计（论文）6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。苏州大学本科生毕业设计（论文）7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，