复合绒面ZnO:Al光栅增强薄膜硅电池陷光特性

探讨复合绒面ZnO:Al光栅对薄膜硅太阳能电池光俘获效率的影响.织构了由关联长度(lcor)和平均高度(have)表征的绒面,叠加到周期为980nm和槽深为160nm的一维正弦ZnO:Al光栅上,形成复合绒面ZnO:Al光栅.前电极AZO光栅,当lcor较小和have较大时,电池的短路电流较高.若lcor取0.01,则短路电流随have的增大而升高,由have=0.05时的21.93 mA/cm2增加到have=0.80时的23.80mA/cm2.置于背电极且lcor=0.01时,短路电流随have的增加而逐渐减小,由have=0.05时的25.50mA/cm2降到have=0.80时的24.81 mA/cm2.采用直流溅射和化学腐蚀方法分别制备了无绒面ZnO:Al光栅和lcor=0.01,have=0.14的复合绒面ZnO:Al光栅.反射率测试结果表明,复合绒面ZnO:Al光栅总反射率(8.3%)较无绒面ZnO:Al栅(10.2%)降低了1.9%,镜面反射率(4.7%)较无绒面ZnO:Al栅(6.8%)降低了2.1%.以实验制备的两种光栅为模型用严格耦合波方法进行模拟,计算结果表明与无绒面ZnO:Al光栅相比,复合绒面ZnO:Al光栅的总反射率和镜面反射率均显著下降.复合绒面ZnO:Al光栅由于具有较好的减反作用更适合用作薄膜电池前电极,从而得到更高的短路电流;而无绒面ZnO:Al光栅因具有较高的反射适用于背电极,能将到达背电极的光子重新返回硅吸收层而获得更高的陷光效率.     

湿法和溶脱法的亚微米ZnO:Al光栅制备

以激光干涉法得到的光刻胶图案为掩模,采用湿法刻蚀和溶脱-剥离法制备了具有良好减反射特性的亚微米掺铝氧化锌（ZnO:Al, AZO）光栅。表面形貌特征和反射光谱测试结果表明,湿法刻蚀较溶脱-剥离法得到的AZO光栅表面更为粗糙,两者均方根粗糙度分别为25.4,7.6 nm。在400～900 nm波段,两种方法制备的周期和高度相同的光栅,平均总反射率分别由AZO薄膜的12.5%下降到8.3%和10.2%。两者的平均镜面反射率分别为6.2%和6.6%,平均漫反射率分别为2.1%和3.6%。湿法刻蚀得到的表面较为粗糙AZO光栅的漫反射明显减弱,从而导致总的减反特性优于溶脱-剥离法得到的表面起伏相对较小的AZO光栅。     

基于双光栅结构下特征参量与GaN基LED光提取效率的动态关系

为解决光子在半导体和空气界面处的全反射导致的GaN基发光二极管外量子效率低下的问题,基于双光栅GaN基发光二极管芯片模型的基本构成,利用蒙特卡罗算法及波动方程理论进行模拟,分析了光子的主要损耗对出光效率的影响.通过数值计算模拟,计算了不同光栅槽深、周期及吸收系数对发光二极管光提取效率的动态影响,结果表明:光提取效率曲线随反射光栅槽深的增大呈余弦周期性变化,与光栅衍射效率与槽深之间的关系是一致的;光提取效率在光栅间距为介质中光波长附近时达到最大,随着周期的增大或减小而减小;双光栅GaN基发光二极管受GaN吸收系数影响比传统GaN基发光二极管明显,吸收系数越小,光提取效率越高.透射光栅槽深为350nm,周期为300nm,反射光栅槽深为230nm,周期为250nm,GaN吸收系数为0时能获得最大光提取效率为67%.而传统平板型GaN基发光二极管,模拟得到的光提取效率只有18.5%,添加双光栅结构后的GaN基发光二极管,可以提高光提取效率3倍以上.结合提高晶体质量,降低GaN吸收系数能更有效提高光提取效率.     

采用WDM技术的光纤Bragg光栅传感网络

采用绝对测量原理的波长调制技术,光纤Bragg光栅可组成并行、串行和阵列WDM拓扑结构.分析表明,光纤Bragg光栅网络的工作原理类似于一个多宽带平面镜.利用光谱仪可测量上述光纤Bragg光栅网络的反射谱,其中,光源是宽带为～40nm的掺饵光纤放大器.当网络中的光纤Bragg光栅受扰动后,受扰光栅的反射谱发生相应的变化,即Bragg波长发生相应的偏移.结果表明,当事先确定了光纤光栅的波长调制范围,反射的峰值波长能反应光纤光栅传感网络的信息.值得注意的是～3nm的波长调制范围可满足～100℃和～2000με的参量测量.     

非线性二次曝光法制作三角形光纤Bragg光栅

提出了一种利用非线性二次曝光技术制作三角形光纤Bragg光栅的新方法.该方法只使用普通Bragg位相模板,采用两次曝光技术,通过控制光纤光栅的本地谐振波长和反射率,达到控制光纤光栅谱形的目的.第一次直接对光纤曝光,用来控制光纤光栅谐振波长;第二次通过位相模板曝光,用来控制光纤光栅的反射率.考虑到光敏光纤感光特性曲线的多项e负指数变化规律,按照"分步写入光纤光栅设计软件"进行曝光分布设计,利用"分步曝光光纤光栅写入系统"进行曝光控制,使用信息产业部第46研究所生产的DCS-01型光敏光纤,得到了线性范围1.24 nm、反射率为0～64%的三角形光纤Bragg光栅.三角形光纤Bragg光栅作为光纤光栅传感解调器件,在光纤传感领域具有重要应用价值.     

亚微米AZO光栅及其漫透射分布特性

探讨亚微米掺铝氧化锌(AZO)光栅的漫透射光谱特性。在AZO薄膜上涂布光刻胶,用325nm激光双光束干涉曝光得到掩模图案。将其置于质量分数为0.5%的稀盐酸溶液中湿法刻蚀,制备出周期(780～1280nm)和高度(60～300nm)能独立调控的AZO一维光栅。正入射双向透射分布函数(BTDF)测试结果表明,400～900nm波段内平均镜面透射率随光栅周期增大而降低,与紫外-可见分光光度计测得的结果吻合;同时,周期越大被衍射到30°～80°范围内的漫透射比重和漫透射峰值均越大,而峰位角越小。根据光栅方程对实验结果给出了合理的解释。     

非晶硅太阳电池宽光谱陷光结构的优化设计

陷光是改善薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以非晶硅（α-Si）薄膜太阳电池为例,设计了一种新的复合陷光结构：在Ag背电极与硅薄膜之间制备一维Ag纳米光栅,并通过保形生长在电池前表面沉积织构的减反膜. 采用有限元数值模拟方法,研究了该复合陷光结构对电池光吸收的影响,并对Ag纳米光栅的结构参数进行了优化. 模拟结果表明：该复合陷光结构可在宽光谱范围内较大地提高太阳电池的光吸收;当Ag纳米光栅的周期P为600 nm,高度H为90 nm,宽度W为180 nm时,在AM1.5光谱垂直入射条件下α-Si薄膜电池在300–800 nm波长范围内总的光吸收较无陷光结构的参考电池提高达103%,其中在650–750 nm长波范围内的光子吸收率提高达300%以上. 结合电场强度分布,对电池在各个波段光吸收提高的物理机制进行了分析. 另外,该复合陷光结构的引入,还较大地改善了非晶硅电池对太阳光入射角度的敏感性. 关键词： 非晶硅太阳电池 陷光 银纳米光栅 数值模拟     

二维微纳米结构表面反射特性的时域有限差分法模拟研究

亚波长微纳米结构表面具有优良的抗反射特性,本文以硅基太阳能电池响应光谱的300~1 200 nm为应用基础,利用时域有限差分法计算了表面面形、结构参量的占空比、高度和周期以及光波入射角等对二维微纳米结构表面反射特性的影响,并结合等效介质理论进行了进一步理论分析,结果表明:等截面光栅结构的反射率较大,结构参量影响也较小;锥形渐变截面光栅结构的抗反射性能较好,且反射率随着占空比、结构高度的增大而显著下降;同时,光波在光栅法线的±40°范围内入射时,反射率均较小.通过对亚波长微纳米光栅结构的反射特性的模拟和分析,为抗反射表面的设计和制作提供了基础.     

梯形介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为.通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅.对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时.其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率.其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm.而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2的梯形光栅具有更宽的光谱特性.数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性.     

利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构,吸收层厚1μm,总厚度为1.45μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性,利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明:当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时,防反射层的透射率较高,在300~600 nm波长范围内,该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%;当四棱锥光栅结构周期L=1.2μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时,背反射层的反射效果较好,在600~850 nm波长范围内,电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上,平均吸收效率达92%,满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。     

Micro gratings written in ZnO:Al thin films using picosecond UV‐laser interference patterning

Diffraction micro gratings have been written in ZnO:Al thin films using a picosecond laser operating at 355 nm. Micro gratings of 20 µm diameter with a period of 860 nm show a groove depth up to 120 nm. The total transmittance of square‐centimeter‐size grating‐textured ZnO:Al films was almost unchanged after grating formation, while the sheet resistance increased moderately. The textured films reached haze values of 9% at 700 nm. This simple texturing method can be applied also to ZnO:Al films that cannot be texture etched.

     

黑松冠层反射光谱方向特征分析

松萎蔫病是松属树种的一种毁灭性病害，小范围甚至单木水平的森林病虫害的早期诊断对森林资源保护与可持续发展尤为重要。以感染松萎蔫病的黑松为研究对象，通过采集不同感病时期的黑松冠层的多角度光谱数据，分析不同特征波段的方向反射特征，总结不同感病程度黑松的冠层特征波段反射率的变化规律。结果显示：(1）在俯视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率大于前向散射方向的反射率，并且在后向散射方向，四个波段的四个感病时期约在40°的观测天顶角出现热点效应；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）与近红外波段（810 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出感病初期＞健康＞感病中期＞感病末期的变化规律，红光波段（680 nm）和绿光波段（560 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出健康≈感病初期＞感病中期≈感病末期的变化规律。在所有方位角，冠层反射率随着观测天顶角的增加而增大。(2）在仰视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率小于前向散射方向的反射率，并且在方位角为0°时，4个波段反射率都是较大的；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）绿光波段（560 nm）和红光波段（680 nm）的冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病末期>感病中期的变化规律，近红外波段（810 nm）冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病中期>感病末期的变化规律；在所有方位角，冠层反射率随着观测仰角的增加而减小。(3）黑松冠层反射光谱在俯视和仰视观测时，各个特征波段的二向性反射率的各向异性最强的是主平面，最弱的是主垂面，且主垂面的前向和后向反射率会呈现对称性，即“镜面反射”；各个特征波段在感病末期，黑松冠层反射率随观测天顶角的变化幅度较大，其他几个时期反射率随观测天顶角的变化幅度不明显。研究结果显示的树冠的不同角度的波段反射方向性特征为以后不同尺度的无人机监测的准确性与可靠性奠定基础，也为发展近地面便携式森林病虫害实时监测系统打下了基础。     

铝漫反射板200～300 nm相对双向反射分布函数的实验研究

选择了合适的测量方式．建立了铝漫反射板的相对双向反射向反射分布函数的测量装置。通过实验研究铝漫反射板的相对双向反射分布函数在不同情况下的性质表明：不同表面粗糙度的铝漫反射板相对双向反射分布函数随入射角度的变化趋势有所不同;表面镀A1 MgF2膜反射率可增大约1．5到3倍;相对双向反射分布函数在200～280nm之间不随波长改变,波长大于280nm时,随波长略有增加,最大13％。根据实验数据绘出的二维等值线图反映了光辐射以不同角度入射、观测角度固定情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的变化,对实验数据拟合得到在该情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的较精确的数学表达式。     

Thermal behaviour of Co/Si/W/Si multilayers under rapid thermal annealing

The e-beam deposited multilayers (MLS) were studied under rapid thermal annealing (RTA) between 250°C and 1000°C during 30 s. MLS with five Co/Si/W/Si periods, each 13.9 nm (MLS1) and 18 nm (MLS2) were deposited onto oxidized Si substrates. Samples were analyzed by X-ray diffraction, hard and soft X-ray reflectivity measurements and grazing incidence X-ray diffuse scattering. The MLS period, interface roughness and its lateral and vertical correlations were obtained by simulation of the hard X-ray reflectivity and diffuse scattering spectra. The MLS1 with thinner Co layers is more temperature resistant. However, its soft X-ray reflectivity is smaller. The results show that this is because of shorter lateral and vertical correlation lengths of the interface roughness which may considerably influence the X-ray reflectivity of multilayers.     

银薄膜对光学基底表面粗糙度及光散射的影响

为了研究金属银薄膜与光学基底表面粗糙度和光散射的关系,提出了通过对光学薄膜矢量散射公式积分来获得界面粗糙度完全相关模型和完全非相关模型下其表面的总反射散射的方法.理论计算了光学基底上两种模型在不同厚度银膜下的总反射散射和双向反射分布函数.结果表明,当沉积在光学基底上的银薄膜的厚度大于80 nm后,两种模型下计算的银薄膜的表面总反射散射都等于基底的总积分散射,银薄膜能较好地复现出基底的粗糙度轮廓.实验研究表明为了复现基底的粗糙度,银薄膜的最佳厚度应在80~160 nm之间.     

Al/ZnO:Al薄膜结构的荧光增强效应

利用物理气相沉积设备制备了Al/ZnO:Al薄膜样品,研究了该薄膜结构的发光特性。结果表明,在ZnO:Al薄膜表面镀一层Al岛薄膜可以增强其带边荧光,同时在475 nm附近产生蓝光峰。通过在Al岛薄膜和ZnO:Al薄膜之间引入一层5 nm的Ta₂O₅绝缘层可以使ZnO:Al薄膜的带边荧光和蓝光显著增强,并随着Ta₂O₅绝缘层厚度的增大而减弱。通过对Al/ZnO:Al样品进行退火处理可以使带边荧光和蓝光峰分别增强9倍和83倍。基于局域表面等离子体共振理论,计算了Al/ZnO:Al纳米结构的光学散射和吸收截面曲线。实验结果与理论计算相一致。     

空间目标可见光散射特性与可视条件研究

采用椭偏法和总体积分散射法分别测量和计算了空间目标包层材料和太阳能板的材料参数,以及相应的双向反射分布函数。并根据此参数对空间简单体目标可见光谱散射特性进行了理论计算和实验校模。结合目标的几何建模和轨道理论,利用Modtran大气传输模型计算了不同时刻的背景辐射,以及在不同地面观测站观测时空间目标的亮度变化以及背景辐射的影响,并分析了目标的可视条件。计算表明,清晨或傍晚,背景辐射小于空间目标的散射,是观测的最佳时段。     

Broadband Antireflection Subwavelength Gratings for Polymethyl Methacrylate Fabricated with Molding Technique

We fabricated a two-dimensional subwavelength grating (SWG) on a polymethyl methacrylate (PMMA) film using a molding technique. A method of fabricating SWGs with high accuracy using a replica technique in an atmospheric environment was proposed. The SWG consisted of tapered gratings with a 200 nm period and a 200 nm deep groove. The reflectivity at wavelengths from 400 nm to 800 nm was measured and compared with the results calculated on the basis of rigorous coupled-wave analysis. At these wavelengths, the reflectivity decreased to approximately half that of the PMMA film.