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基于FDTD算法的周期结构双光栅薄膜太阳能电池的设计与研究

1.8万字
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摘要 近年来,环境污染和能源衰竭等问题与全球经济发展之间的矛盾越来越突出。为了解决经济发展与环境污染之间的矛盾，人们一直致力于寻找绿色环保的新能源。太阳能作为一种可再生能源有着其它能源不可比拟的优势。因此，越来越多的人投身于太阳能电池的研究。为了减低太阳能电池的成本，采用非晶硅材料以及太阳能电池的薄膜化都是人们研究的主要方向。
本毕业设计是基于SPP模增强光吸收的机理，将传统光陷和新型光陷技术结合，设计一款拥有宽吸收带宽和高吸收效率的周期结构双光栅薄膜太阳能电池。且利用时域有限差分算法（FDTD）并结合周期边界条件（PBC），研究了加入周期双光栅结构后薄膜太阳能电池的吸光效率，并分析了前后光栅的沟槽深度和宽度以及后光栅材料对薄膜太阳能电池吸光效率的影响。本文所计算模拟的是一个具有周期结构的二维的双光栅薄膜太阳能电池，本文首先介绍了该模型以及相关原理知识，接着用程序验证周期边界条件加入是否正确，最后是对仿真结果进行分析。

关键词：FDTD ，周期边界，光栅，薄膜太阳能电池，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


目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 薄膜太阳能电池在国外的发展 2
1.2.2 薄膜太阳能电池在国内的发展 3
1.3 研究内容 4
1.4 本文内容安排 4
第二章 基础知识介绍 5
2.1 麦克斯韦方程 5
2.2 FDTD算法介绍 6
2.2.1 FDTD的基本原理 6
2.2.2 二维TE波的FDTD差分方程 8
2.3 Drude模型 9
2.3.1金属的介电常数 10
2.5 本章小结 11
第三章 表面等离子体相关知识 12
3.1表面等离子体基本原理 12
3.2 表面等离子体激发方式 16
3.2.1 棱镜耦合激发 16
3.2.2 光栅耦合激发 18
3.2.3 近场激发 18
3.2.4 波导结构激发 19
3.2.5 局域表面等离子体共振激发 19
3.3 表面等离子体激元增强薄膜太阳能电池技术 19
3.3.1表面等离子体激元增强光吸收原理 20
3.4 本章小结 22
第四章 计算模型及原理 23
4.1 计算模型 23
4.2 金属色散介质FDTD迭代式的推导 24
4.3 周期结构的FDTD算法 26
4.3.1 Floquent 定理 26
4.3.2 周期结构的FDTD迭代式推导 27
4.4 数值验证 29
4.5 本章小结 30
第五章 仿真结果分析 31
5.1光栅沟槽深度对薄膜太阳能电池光吸收效率的影响 32
5.1.1 前光栅沟槽深度对薄膜太阳能电池吸光效率的影响 32
5.1.2 后光栅深度对薄膜太阳能电池光吸收效率的影响 33
5.2 光栅沟宽度对薄膜太阳能电池光吸收效率的影响 35
5.3 后光栅材料对薄膜太阳能电池光吸收效率的影响 36
5.4 本章小结 36
第六章 总结和展望 37
致谢 38
参考文献 39