摘 要

科技的飞速进步为人类社会带来更加便捷的生活的同时也造成了能源的枯竭和自然环境的恶化。为了应对这一全球范围的能源危机，许多学者将目光投向了太阳能，致力于新型太阳电池的开发工作。热光伏电池系统，作为一种新兴的绿色清洁能源技术，具有比太阳能光伏电池系统更高的系统效率和输出的能量密度。所以越来越受到人们的重视。

本文介绍了运用有限元法模拟建立硅热光伏电池的一维模型，测试了建立的硅热光伏电池模型在AM1.5G太阳光谱下的性能，得到了硅热光伏电池的性能曲线，通过性能曲线验证的硅热光伏电池模型的可行性。通过改变N型发射区厚度、P型基区厚度和掺杂浓度，优化电池性能。然后，研究硅热光伏电池在不同热辐射器温度下的表现，得到不同热辐射器温度下的一系列电池性能曲线，分析电池性能曲线的变化，总结热辐射器温度对硅热光伏电池性能的影响，得出适合硅热光伏电池的热辐射器温度。

关键词：热光伏电池 有限元 光电转换效率 数值模拟

Structure Design and Simulation of Silicon Thermal Photovoltaic cells

Abstract

The rapid progress of science and technology has not only brought more convenient life to human society, but also caused the depletion of energy and the deterioration of the natural environment. In order to deal with this global energy crisis, many scholars have focused on solar energy and devoted themselves to the development of new solar cells. As a new green clean energy technology, thermal photovoltaic cell system has higher system efficiency and output energy density than solar photovoltaic cell system, so it has been paid more and more attention.

In this paper, the one-dimensional model of silicon thermal photovoltaic cell is simulated by finite element method, the performance of silicon thermal photovoltaic cell model under AM1.5G solar spectrum is tested.Then the performance curve of silicon thermal photovoltaic cell is obtained. The feasibility of the silicon thermal photovoltaic cell model is verified by the performance curve. The battery performance was optimized by changing the thickness of N-type emission region, P-type base region and doping concentration. Then, the performance of silicon thermal photovoltaic cells at different thermal radiator temperatures is studied, a series of battery performance curves at different thermal radiator temperatures are obtained, the changes of battery performance curves are analyzed, and the effect of thermal radiator temperature on silicon thermal photovoltaic cells is summarized.The temperature of thermal radiator suitable for silicon thermal photovoltaic cell is obtained.

KEYWORDS:Thermal photovoltaic cell;finite element;photoelectric transformation efficiency ;

numerical simulation

目录

摘要................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract.......................................................................................................................................Ⅱ

目录..............................................................................................................................................Ⅲ

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 热光伏系统简介 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本论文的研究内容 5

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 论文结构 6

第二章 热光伏电池的基本原理 7

2.1 光伏效应 7

2.2 PN结 7

2.2.1 PN结的形成 7

2.2.2 光照下的PN结 8

2.3 载流子产生 8

2.4 电池性能参数 9

2.4.1 伏安特性曲线 9

2.4.2 光谱响应度曲线 10

2.4.3 量子效率 10

2.5本章小结 10

第三章 硅热光伏电池一维模型的建立 11

3.1 引言 11

3.2 原始参数 11

3.2.1 电池结构 11

3.2.2 测试条件 12

3.2.3 吸收系数 13

3.3 研究结果分析 14

3.3.1 能带图 14

3.3.2 暗态时电池的伏安特性曲线 15

3.3.3 光照下电池的伏安特性曲线 15

3.3.4 光谱响应度曲线 16

3.3.5 量子效率曲线 16

3.4 结构优化 17

3.4.1 优化电池模型 17

3.4.2优化后电池性能参数 18

3.5 本章小结 21

第四章 硅热光伏电池在不同热辐射器温度下的表现 22

4.1 黑体辐射 22

4.2 模拟测试条件 22

4.3 模拟结果分析 23

4.3.1 伏安特性曲线 23

4.3.2 光谱响应度曲线 26

4.3.3 量子效率曲线 26

4.4 本章小结 28

第五章 总结和展望 29

5.1 本论文的主要工作 29

5.2 不足和展望 29

参考文献 31

致 谢 34

第一章 绪论

1.1 引言

能源在社会经济发展中扮演着十分重要的角色，尤其是伴随居民生活水平的不断提高，能源的作用也越来越显著，可以说一切社会生产与生活活动均离不开能源这一物质基础，伴随能源的不断消耗，传统燃料的供应越来越少，而大量的煤炭等燃料燃烧所引发的环境污染问题日趋严重，与此同时，却依然有大量人口无法正常获得能源的供应，能源供需矛盾日益凸显。面对这一问题，全球开始对可再生能源加以关注与重视，并尝试通过可再生能源可以转变现行能源结构，促进人类健康长远发展。作为一种新型的绿色清洁能源技术，热光伏电池系统相比太阳能光伏电池具有更高的系统效率系统输出能量密度，所以它受到了越来越多的关注。

将热量直接转换成电能的有效，实用和具有成本效益的手段多年来一直是许多研究和开发的目标，并且是一个非常吸引人的概念。热光伏的优点包括高功率密度，包括燃料多功能性，便携性，静音操作，独立于太阳的操作以及低维护成本。原则上，热光伏（TPV）电池可以形成各种系统的关键部件，用于从不同类型的热源发电，包括燃烧过程、阳光照射、废物处理热和放射性同位素。这为技术的发展开辟了广泛的可能性，因此可以设想热光伏系统用于从小型电源到替换电池，再到大规模的电力联产的应用。在汽车、发电和工业炉的低污染系统等各种领域存在更多的机会。除了军事动力应用之外，还有许多商业、社交和娱乐应用，它们需要安静且无排放的紧凑型发电机。热光伏系统可用于远程、备用和海上发电，作为柴油发电机的更可靠和更安静的替代品，特别是在不适合光伏太阳能电池阵列或电池的地方。人们对用于为小型电子系统供电的热光伏系统小型化以及用于大型应用的热光伏系统感兴趣，如发电厂，潜艇和建筑物；以及玻璃，钢铁和造纸行业的废热回收能源。

1.2 热光伏系统简介

热光伏发电技术，简称TPV技术，它是利用半导体PN结光伏电池直接地把高温的热发射体所发射的红外辐射能转变成电能的一种技术[1,2,3,4]。热光伏系统主要包括热辐射器、光学滤波器、热光伏电池组件、热回收器和辅助组件[5]。其中热光伏电池将辐射能量转换为电能是系统的核心部件[6]。热辐射器和光学滤波器实现热辐射的选择性光谱发射和热辐射的回收利用[5]。图1.1是热光伏系统的示意图。

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