随着能源危机与环境恶化的日益加剧,发展清洁、可持续能源成为世界各国的重要研究目标。太阳能凭借其资源总量大、使用清洁、无偿性、无地域性等优点,己成为全球可再生能源发展战略的重要组成部分。为了推进太阳能资源大规模应用,如何高效利用太阳能是现阶段太阳能产业化应用的关键问题。研究发现,通过光子管理设计微结构表面,可以增强光子捕获,降低光学损耗。然而微结构表面会引起载流子复合增强效应,影响太阳能电池光电转换效率。因此,认识和理解微结构表面与载流子复合对太阳能光电转换的物理机制具有十分重要的意义。本文以太阳能高效利用为目标,以光伏电池、光伏-热电耦合系统、太阳能热电发电器件为研究对象,围绕微结构表面强化吸收以及载流子复合效应展开研究,阐明了表面微结构与载流子复合在太阳能捕获、吸收、输运、转换等过程中所起的作用,揭示了表面微结构与载流子复合在太阳能光电转换中的作用机理,为高效利用太阳能提供了理论基础及设计准则。具体研究内容包括以下几个方面:1.微结构硅薄膜太阳能电池光电特性研究微结构表面可以有效提高光子捕获能力,但是同时也带来了表面复合增强的难题,影响电学特性。基于光电耦合模型,从表面复合效应和温度效应两个方面研究微结构硅薄膜太阳能电池的光电特性。对于表面复合效应的影响,以一维周期性光栅微结构表面为研究对象,研究表面复合速率和结构参数对薄膜太阳能电池转换效率的影响,阐明表面复合效应对微结构太阳能电池转换效率的影响规律,优化设计薄膜太阳能电池;对于温度效应的影响,以纳米柱和纳米孔微结构表面为研究对象,从温度对光学特性、电学特性、结构参数的影响三个方面入手,研究温度效应对微结构薄膜太阳能电池性能的影响,阐明温度效应的影响机制。2.钙钛矿太阳能电池能量损耗分析基于光电耦合模型,以钙钛矿太阳能电池CH3NH3PbI3-xClx为研究对象,建立了定量分析钙钛矿太阳能电池能量损耗机制的理论方法,系统研究了钙钛矿太阳能电池能量损耗机制,包括低于半导体带隙损耗、热化损耗、光学损耗、复合损耗、空间弛豫损耗等,定量比较了每一种能量损耗机制对钙钛矿太阳能电池转换效率的影响程度,重点分析非本征损耗对钙钛矿太阳能电池性能的影响,包括光学特性、载流子扩散长度、表面复合速率、串联电阻等,分析找出限制钙钛矿太阳能电池转换效率的关键因素,为优化设计高效钙钛矿太阳能电池指明了方向。3.微结构表面光伏-热电耦合系统性能研究从光子管理和余热管理出发,研究光谱调控对光伏-热电耦合系统转换效率的影响规律,建立微结构表面增强光伏-热电耦合系统的理论设计方法。基于光子管理设计准则,本文提出将仿生蛾眼微结构表面和背面增透膜相结合,对砷化镓太阳能电池实现有效光子管理,分析几何结构参数、入射角、偏振态对光伏-热电耦合系统光谱特性的影响。余热管理是影响光伏-热电耦合系统性能的一个关键因素,研究了不同工作环境下的余热管理方式对耦合系统性能的影响,分析了聚光比、热聚焦因子对光伏-热电耦合系统转换效率的影响。4.微结构Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池实验研究针对太阳能全光谱利用的需求,基于随机微结构表面可以强化光学吸收的物理事实,以开发具有广角性和偏振不敏感特性的光伏电池为目标,利用化学湿法刻蚀和金属辅助化学刻蚀,成功制备了随机黑硅-金字塔复合微结构表面,系统研究了复合微结构表面的光学特性,研究了刻蚀参数对微结构表面形貌、光学反射特性的影响规律,分析了不同微结构表面(平板型、金字塔、黑硅、复合结构)随入射角、偏振态变化的光学吸收特性,并基于这些微结构表面,在不破坏微结构表面的前提下,成功制备了PEDOT:PSS/n-Si异质结太阳能电池,测量了太阳能电池在AM1.5G标准辐照下的电学特性。5.微结构选择性光谱调控提高太阳能热电发电器件性能研究太阳能选择性吸收表面需要满足对太阳辐射光谱具有高吸收特性,而对红外光谱具有低发射特性。本文设计了一种新型选择性太阳能吸收表面,有效提高了太阳能热电发电器件转换效率,研究了几何结构参数、入射角、偏振角对微结构表面辐射特性的影响规律,阐明了微结构表面辐射特性调控机理,分析了热聚焦因子、微结构晶格排列、不同微结构表面对太阳能热电发电器件性能的影响,建立了微结构表面选择性光谱调控提高热电发电器件性能的理论方法。