近年来,纳米结构光伏器件由于其优越的陷光特性和光电转换能力备受关注。虽然采用先进的陷光策略可以显著增强器件的光吸收能力,但这并不意味着电池有较好的电学输出。其物理原因在于半导体内部复杂的复合机制和光电损耗造成光生载流子的损失,降低了器件电学性能。本论文从光伏器件微观损耗出发,通过挖掘电池中的各种光电损耗信息,分析并提出了多种器件优化设计方案。随着当前新材料、新结构的涌现,纳米结构光伏器件越来越易受到多种物理机制的共同调控。除了典型的光电响应外,纳米结构光伏器件还具有较强的温度和热依赖性。因此只有彻底地在光学、电学和热力学层面把握光伏器件的内在光电转换、光热转换和热电转换机理,才能真正了解光伏器件能量转换与守恒的本质,从而更为有效地设计高转化效率光伏器件。本论文在光电仿真技术的基础上,构建了更为完善和普适性更强的三维光电热仿真系统,成功将光伏器件中的光、电和热问题合为一体,实现了频域、空间域严格的光电热耦合仿真,并借以获得多种光伏器件高效光电转换设计方案。本论文取得的研究成果总结如下:(1)表面等离子(SPPs)的光伏应用是过去几年国际热点课题。然而,基于纳米光子学的光学域研究较为普遍,难以准确反映器件的真实光电转换性能;特别是,随着复杂结构金属层的引入,在半导体-金属界面载流子复合会显著增强,抑制了器件的性能提升。本论文实现了SPPs太阳能电池(SPSCs)的严格光电仿真,并以砷化镓(GaAs)太阳能电池为例,重点研究了在引入SPPs过程中的光学增强与电学复合现象。研究表明,利用SPPs的近场局域效应虽然可极大程度增强光吸收,但同时也增加了器件的载流子复合,抑制了器件电学性能的提升。基于光电仿真技术,论文提出通过将等离激元光学设计与电学窗口层设计相结合的方法,实现了光生载流子与复合界面的空间分离,极大程度抑制了载流子的复合损失,大幅提高了器件整体光电转换性能。该工作为设计开发具有高效光电转换能力的SPSCs提供了研究平台和设计思路。(2)纳米线、纳米孔太阳能电池以其优异的光学性能备受青睐,然而在电学方面,由于较大的表面积-体积比,导致器件表面复合损耗严重。本文通过同时考虑三维纳米结构光伏器件的光学和电学响应,开展了器件全面的光电仿真工作,并基于仿真结果对器件进行了电学优化。研究表明,几何结构相同的纳米线电池,径向掺杂比轴向掺杂的电池具有更好的电学性能。通过采用径向电学掺杂,可以使光生载流子快速分离,减少器件表面复合损耗,实现纳米结构光伏器件电学性能提升。该工作为三维纳米结构光伏器件的光电整体性能设计提供了参考。(3)长期以来,针对光伏器件的研究,主要是围绕着如何增强光吸收,提高电池转换效率,而很少挖掘电池内部损耗机理。本论文从电流、电压和能量角度出发,以GaAs电池为例,深入研究了电池透射反射损失、表面复合、体复合、载流子热化、焦耳热和帕尔帖效应等对电池性能的影响,并分析比较了不同形式损耗的光谱响应和空间分布。研究表明,表面复合和体复合造成了器件电流的损耗;载流子的热化过程和焦耳热是器件最重要热产生机制;帕尔帖效应则限制了电池的开路电压。这种量化分析的方法为深入研究电池工作原理、掌握器件损耗机制、调控并抑制特定损耗、实现高效和低成本的电池设计提供了帮助。(4)随着新材料、新结构在光伏器件上的广泛应用,微纳光伏器件的内在物理机制变得十分复杂,光学、电学、热力学特性成为密不可分的重要关联因素。因此,结合光电热特征的多物理场耦合仿真技术对探究光伏器件光电热相互转换机理、准确预测器件性能、设计调控高转换效率器件具有重要意义。鉴于此,本论文构建了全耦合的光电热仿真系统,研究了纳米结构光伏器件的光学、电学和热力学在频域和空间域的响应。通过光学、电学与热力学强耦合分析,量化了器件中的各种物理损耗,研究了器件中的热效应,同时预测了器件的温度分布。光电热仿真的实现对于光伏器件的设计具有重要的推动作用。