硅基核壳结构纳米线阵列太阳能电池的性能研究【字数：11219】
摘 要硅纳米线是一种硅纳米材料，具有比平常的硅材料更加独特的光阱效应，可以大幅度地提升对光的吸收强度，提高光电转换效率。不仅如此，纳米线材料更具有独特的物理结构，使得其成为构建新型径向太阳能电池的理想材料。论文研究了基于固定纳米线高度(h)和直径过周期性(d/P)的硅纳米直径(d)对器件电性能的影响，研究采用时域有限差分法(FDTD)计算光吸收光谱，并建立二维物理模型，利用计算机辅助设计(TCAD)工具计算硅纳米线阵列太阳能电池的载流子输运特性。研究结果表明与平面器件相比，径向结太阳能电池导致电流密度大幅度提升，这具有更好的集光性能，径向载流子分离效率显著提高。本论文的研究结果对石墨烯/硅基光电池及光探测的设计具有一定的应用前景。
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的及意义 3
1.3 课题主要内容 3
2. 太阳能电池工作原理 5
2.1平面异质结构太阳能电池 5
2.2径向结太阳能电池 7
3. 径向太阳能电池物理模型 9
3.1 太阳能电池物理学的基本方程 9
3.2 径向pn结纳米线太阳能电池的物理模型 10
4.Silvaco二维仿真软件的使用 11
4.1 silvaco二维仿真软件的简介 11
4.2 软件使用 11
5. 材料与方法 14
5.1 光吸收 14
5.2 结构制造 15
5.3 基于纳米线阵列径向结电池制备工艺 17
5.3.1“自上而下”的制备方法 17
5.3.2“自下而上”的制备方法 17
6. 结果与讨论 18
6.1 径向pn结构与平面结构的对比 18
6.2 纳米线直径依赖性 19
6.3 吸收器高度依赖性 21
结束语 24
参考文献 25
致 谢 26
1. 引言
1.1 课题研究背景
能源问题关系到我国的经济发展、社会稳定，在21世纪中，我们不仅需要金山银山，更需要绿水青山 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
。是我国在新时代现代化建设中的重大战略任务。当前我国正处于经济发展重大转型中，但是能源需求与供给之间的差额将会越来越明显，现常规能源储量远低于世界平均水平。
能源是电力世界运行和维持人类生命的源泉，整个文明社会的存在与延续不可缺少的就是能源。人类社会迅猛发展的同时，也带来了煤炭、石油等不可再生能源存储量逐渐枯竭的问题，全球能源危机也日益加深。因此世界各国包括政府、研究机构等应大力研究和发展可再生能源，这对国民经济和社会进步发展无疑具有极其重要的研究意义和经济价值，也成为的关注焦点。
在过去的两次能源更新换代过程中，不仅促进了社会生产力的飞跃，还极大地推动了人类经济社会的发展和进步。同时，对于能源的使用，尤其是石化能源的使用数量越来越多，而且在使用石化能源的过程，会不同程度地产生污染环境、危害人类健康的有害物质。因此能源在使用过程中对人类经济和社会发展的约束和对自然环境的影响也日益明显。在过去的一个世纪，人类经济，科技和生活水平也发生了巨大的变化。这些社会变化伴随着能源消费比例、能源消费结构和消费规模的大幅增加、组合。由于缺乏天然资源和能源，引起了环境和气候的严重恶化。目前，能源资源匮乏和环境问题恶化已成为全世界共同面对的问题和人类社会发展面临的挑战。但归根结底，来解决能源短缺和环境恶化最根本的办法仍然是改变能源消费中的比重。在能源消耗的第三次重大变化中，应从当前大规模使用煤和天然气等数量有限并会产生危害物质的矿物能源，转变为使用清洁、环保、廉价用之不竭并发展可回收再利用的新能源和可再生能源的生产和消费模式。做到真正意义上地解决现在与未来的能源的问题，关键是要找到能够可持续发展的再生能源。我们必须探索更加符合要求的新型能源，太阳能电池发电是在新时代新要求下最有希望的主要能源之一。
在各种能源使用中，太阳能辐射到地球表面上的能量约为其余各种能量总和的一万倍，而且太阳能电池取之不尽、用之不竭，并作为各国竞相投入、大力研究的关键课题，因此太阳能电池发电是未来最有希望的主要能源之一。太阳给我们提供的能量几乎是免费的，而且在光电转换过程中不会产生危害人类健康的有害物质，因此太阳能电池作为未来大规模使用的能源备受关注。又因为组成太阳能电池材料的元素在地壳中的含量非常丰富，仅低于氧元素，居于第二；并且基于硅材料的制备技术相当成熟，所以硅基太阳能电池成为当前和未来的主流。目前，基于单晶硅和多晶硅的太阳能电池已在市场上占据大量份额，并且在未来很长一段时间内都将保持其主导地位。
太阳能是可再生能源，也是在新世纪全球新能源应用中表现最为抢眼且所占市场份额最高的清洁能源，它本身拥有许多优点。太阳能电池又称为光电池，本身具有的诸多优点使得其产业前景良好，而该产业的迅猛发展能够为解决全球能源危机与全球环境污染问题提供新思路与有效方法。基于此，针对光电池光电转换效率的研究兼具重要的经济意义与环保意义。环顾当今，在被广泛应用的光电池产品中，晶硅太阳电池的研发时间最长、应用最早并且市场份额所占最大。硅纳米线具备良好的光吸收和减反射特征，可以有效减少光的损失，并且具有降低电池成本等优势，在太阳能电池应用方面具有潜在的发展前景。硅纳米线径向核壳太阳能电池作为低成本，高效率光伏应用的有希望的候选者，得益于其强高效的光捕获和短的径向载流子收集距离，为了建立光学模型和进行电学改进，基于ShockleyReadHall复合模式，结合光吸收的导向共振模式，对径向核壳结纳米线太阳能电池进行了二维模型研究。
图1.1 太阳能电池的分类（按基体材料划分）
图1.2 全球太阳能电池全球市场占有率分布
1.2 课题研究目的及意义
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的及意义 3
1.3 课题主要内容 3
2. 太阳能电池工作原理 5
2.1平面异质结构太阳能电池 5
2.2径向结太阳能电池 7
3. 径向太阳能电池物理模型 9
3.1 太阳能电池物理学的基本方程 9
3.2 径向pn结纳米线太阳能电池的物理模型 10
4.Silvaco二维仿真软件的使用 11
4.1 silvaco二维仿真软件的简介 11
4.2 软件使用 11
5. 材料与方法 14
5.1 光吸收 14
5.2 结构制造 15
5.3 基于纳米线阵列径向结电池制备工艺 17
5.3.1“自上而下”的制备方法 17
5.3.2“自下而上”的制备方法 17
6. 结果与讨论 18
6.1 径向pn结构与平面结构的对比 18
6.2 纳米线直径依赖性 19
6.3 吸收器高度依赖性 21
结束语 24
参考文献 25
致 谢 26
1. 引言
1.1 课题研究背景
能源问题关系到我国的经济发展、社会稳定，在21世纪中，我们不仅需要金山银山，更需要绿水青山 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
。是我国在新时代现代化建设中的重大战略任务。当前我国正处于经济发展重大转型中，但是能源需求与供给之间的差额将会越来越明显，现常规能源储量远低于世界平均水平。
能源是电力世界运行和维持人类生命的源泉，整个文明社会的存在与延续不可缺少的就是能源。人类社会迅猛发展的同时，也带来了煤炭、石油等不可再生能源存储量逐渐枯竭的问题，全球能源危机也日益加深。因此世界各国包括政府、研究机构等应大力研究和发展可再生能源，这对国民经济和社会进步发展无疑具有极其重要的研究意义和经济价值，也成为的关注焦点。
在过去的两次能源更新换代过程中，不仅促进了社会生产力的飞跃，还极大地推动了人类经济社会的发展和进步。同时，对于能源的使用，尤其是石化能源的使用数量越来越多，而且在使用石化能源的过程，会不同程度地产生污染环境、危害人类健康的有害物质。因此能源在使用过程中对人类经济和社会发展的约束和对自然环境的影响也日益明显。在过去的一个世纪，人类经济，科技和生活水平也发生了巨大的变化。这些社会变化伴随着能源消费比例、能源消费结构和消费规模的大幅增加、组合。由于缺乏天然资源和能源，引起了环境和气候的严重恶化。目前，能源资源匮乏和环境问题恶化已成为全世界共同面对的问题和人类社会发展面临的挑战。但归根结底，来解决能源短缺和环境恶化最根本的办法仍然是改变能源消费中的比重。在能源消耗的第三次重大变化中，应从当前大规模使用煤和天然气等数量有限并会产生危害物质的矿物能源，转变为使用清洁、环保、廉价用之不竭并发展可回收再利用的新能源和可再生能源的生产和消费模式。做到真正意义上地解决现在与未来的能源的问题，关键是要找到能够可持续发展的再生能源。我们必须探索更加符合要求的新型能源，太阳能电池发电是在新时代新要求下最有希望的主要能源之一。
在各种能源使用中，太阳能辐射到地球表面上的能量约为其余各种能量总和的一万倍，而且太阳能电池取之不尽、用之不竭，并作为各国竞相投入、大力研究的关键课题，因此太阳能电池发电是未来最有希望的主要能源之一。太阳给我们提供的能量几乎是免费的，而且在光电转换过程中不会产生危害人类健康的有害物质，因此太阳能电池作为未来大规模使用的能源备受关注。又因为组成太阳能电池材料的元素在地壳中的含量非常丰富，仅低于氧元素，居于第二；并且基于硅材料的制备技术相当成熟，所以硅基太阳能电池成为当前和未来的主流。目前，基于单晶硅和多晶硅的太阳能电池已在市场上占据大量份额，并且在未来很长一段时间内都将保持其主导地位。
太阳能是可再生能源，也是在新世纪全球新能源应用中表现最为抢眼且所占市场份额最高的清洁能源，它本身拥有许多优点。太阳能电池又称为光电池，本身具有的诸多优点使得其产业前景良好，而该产业的迅猛发展能够为解决全球能源危机与全球环境污染问题提供新思路与有效方法。基于此，针对光电池光电转换效率的研究兼具重要的经济意义与环保意义。环顾当今，在被广泛应用的光电池产品中，晶硅太阳电池的研发时间最长、应用最早并且市场份额所占最大。硅纳米线具备良好的光吸收和减反射特征，可以有效减少光的损失，并且具有降低电池成本等优势，在太阳能电池应用方面具有潜在的发展前景。硅纳米线径向核壳太阳能电池作为低成本，高效率光伏应用的有希望的候选者，得益于其强高效的光捕获和短的径向载流子收集距离，为了建立光学模型和进行电学改进，基于ShockleyReadHall复合模式，结合光吸收的导向共振模式，对径向核壳结纳米线太阳能电池进行了二维模型研究。
图1.1 太阳能电池的分类（按基体材料划分）
图1.2 全球太阳能电池全球市场占有率分布
1.2 课题研究目的及意义
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