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第一代以单晶硅材料为主体的太阳电池成本高居不下且转换效率已接近极限。薄膜太阳电池则可大大减少原材料消耗和减少电子空穴对复合带来的损耗，是当今业界关注的焦点。薄膜太阳电池的核心技术在于如何利用更少的材料得到更高的光吸收和光电转换效率。本文以硅基材料为研究对象，基于有限元方法在COMSOL Multiphysics软件中实现硅基薄膜太阳电池的模型构建、仿真及设计。结合光子晶体、表面等离子体激元、纳米线、纳米圆锥和纳米金字塔等光学结构和理论，设计出三种新颖高效的陷光结构，并深入探究其陷光机制和分析电池的光电性能。论文主要工作和结论如下： 从共形结构陷光机理出发，提出一种200nm厚度共形Zigzag结构氢化非晶硅(a-Si:H)太阳电池。与平面结构、底部Rose结构和底部Zigzag结构比较，共形Zigzag结构太阳电池可实现低反射、宽带光吸收增强响应。器件优化设计发现，当周期为600nm、高度为130nm时，短路电路密度取得极大值（16.88mA/cm2）,较平面系统增幅达32.90％，转换效率为13.38%，对应增幅为33.53%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2013,38(23):5071–5074]。 研究了表面减反层和底部金属反射光栅结构，提出一种表面碗状、底部去顶金字塔结构晶体硅太阳电池，比较了5μm和10μm厚晶体硅薄膜太阳电池的光吸收响应。研究发现，光栅周期为700nm时，光电流均取得最大值，分别达到31.81和35.34mA/cm2。在不同周期和占空比下，电池光吸收与平面系统相比均有不同程度提高，其最优化系统光吸收很接近朗伯极限。探讨了电池电学响应，包括外量子效率谱（EQE），电流-电压特征曲线（I-V）和典型电学参数空间分布。研究表明，EQE谱可实现宽光谱增强，光电转换效率可达15.51%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2015,40(6):1077–1080]。 提出一种底部月牙形腐蚀单纳米线太阳电池（SNSCs），通过与圆形、表面月牙形残缺、两面月牙形残缺和椭圆横截面结构比较，底面月牙形残缺SNSCs显示出了前所未有的光吸收增强效应。通过反射谱、吸收谱及光学模式的比较与分析，挖掘出光吸收增强机理。通过不同尺寸的光吸收响应比较发现，新系统可实现宽带低反射、宽光谱吸收增强，尤其在长波段出现很多强吸收峰。进一步研究表明，纳米线对称性的破裂对吸收峰数量和空间态密度影响不大，但对响应波长和吸收效率影响很大，在此作用下，短路电流可从8.46 mA/cm2（传统的圆形截面）增加到12.20 mA/cm2（底部月牙腐蚀），光电转换效率可达6.80%，增幅为40.8%[Zhenhai Yang et al. Nano Energy2015,13:9–17]。