一维和双层二维光子晶体太阳能电池背反射器

利用a-Si∶H和SiO2等介质,设计了一种由一维光子晶体和双层二维光子晶体组成的非晶硅薄膜太阳能电池背反射器.利用时域有限差分法对该背反射器在入射光波长范围为300~1 100nm波段的反射率和透射率进行仿真,计算不同结构参量下非晶硅太阳能电池短路电流密度并进行比较分析,最终得到了最佳背反射器结构.结果表明:设计的太阳能电池背反射器能够有效地延长入射光在太阳能电池吸收层的传播路径,有助于缓解太阳能电池吸收层厚度对电池吸收效率的影响,提高了电池吸收层对入射光的吸收效率.一维光子晶体和双层二维光子晶体结构的背反射器可以大幅度提高电池的光捕获能力,将非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高到31.96mA/cm2,较常用的Ag/ZnO背反射器结构非晶硅薄膜太阳能电池提高了51.0%.     

硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备

从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器.首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响.基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器.通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500—750 nm波长范围红移至650—1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%.将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%.同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响.研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.     

基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅薄膜太阳电池中的应用

本文研究制备一种由低折射率的SiOx层与高折射率的a-Si层周期性交叠构成的新型一维光子晶体(1D PC)背反射器.研究结果表明,随着SiOx/a-Si交叠周期数的增加,一维光子晶体的反射率逐步提高.当周期数大于3时,在空气中500—750 nm波长范围的平均反射率达到96%.将该一维光子晶体作为背反射器应用于NIP型非晶硅电池(电池结构为玻璃/1D PC/AZO/NIP a-Si:H/ITO),当光子晶体周期为4时,效率达到7.9%,略优于传统的AZO/Ag背反射电极结构电池(7.7%),明显高于不锈钢衬底电池(6.9%),相对效率提升14.5%.     

硅薄膜太阳能电池背部反射结构设计

设计了一种新型叠层光栅结构的晶体硅薄膜太阳能电池底部反射器,它由分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflectors,DBR)和衍射光栅两部分组成.利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)方法和模式传输线理论(Modal Transmission Line,MTL),对DBR和光栅进行优化设计,使该叠层光栅结构在800～1 100 nm波长范围内能高效反射入射光并得到大倾斜角的反射光,有效延长光子在电池体区的传播路径,使其被充分吸收.结果表明,四层Si/SiO_2 DBR的反射率可达99.95%,零级衍射序被有效抑制,并得到具有较大倾斜角的±1级衍射序,太阳能电池的捕光能力大大提高.     

利用叠层一维光子晶体调控半透明有机太阳能电池的性能

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱,进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明,通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外,通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色,获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比,叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率,并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.     

基于一维光子晶体微腔的全吸收器件

将具有高本征吸收的极化材料SiC引入到一维光子晶体中间,形成一维光子晶体微腔。利用传输矩阵方法,研究了这种含SiC材料的一维光子晶体微腔的光学特性:包括透射率、反射率和吸收率。研究结果表明该结构在波长λ=12.6μm处存在一个全吸收峰,该吸收峰在0°～50°的入射角度范围内不随角度和偏振模式的影响。该结构可以用来制作宽角度窄带全吸收器件,有望在热发射、太阳能光伏电池中得到应用。     

一维超声光子晶体禁带结构分析

超声波在介质中传播时可以引起介质的折射率发生周期变化,当光波垂直于超声波的传播方向时,这种介质可以被用来作为光栅使用,称为超声光栅。当光波沿超声波的传播方向通过这种介质时,它还可以用作一维光子晶体,并称其为一维超声光子晶体(1D-USPC)。利用平面波法证明了一维超声光子晶体具有一般一维周期层叠结构光子晶体的禁带特征。同时这种光子禁带是可以通过超声波的波长和振幅来改变的,这就为控制光的行为方面提供另一种新的方法。     

一维光子晶体禁带的展宽

作为一维光子晶体的应用基础，一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性，讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法，提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法，为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析，最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加，相对带宽达到57．52％，极大地展宽了一维光子晶体的禁带，从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。     

一维光子晶体的光学传输特性分析

采用等效F-P腔方法对一维光子晶体进行研究,计算并讨论不同周期数的一维光子晶体对光学传输特性的影响.计算结果表明,一维光子晶体具有光子禁带,表现为对光的高反射率;掺杂的一维光子晶体的光子禁带中央将出现频宽极窄的缺陷态,即光子局域,与复折射率和晶体周期数有密切的关系.所得结果与实验分析一致,证明了方法的有效性和实用性,并为光子晶体的设计提供依据.     

基于光子晶体异质结的高效太阳能电池反射器研究

设计了一种可用于太阳能电池反射器的二维三角晶格光子晶体异质结结构.采用传输矩阵法对该结构在可见至近红外波长范围入射电磁波的反射率进行了模拟计算,并比较了不同入射方向下反射率的变化.结果表明,光线垂直入射时,该结构光子晶体对近红外波段入射光可实现完全反射|随着偏转角度的增大,在整个可见-近红外波段均显示出极高的反射特性.该结构有望用于制作覆盖整个可见光-近红外波段的高效全方位反射器.     

金属插层对C60/AlN一维光子晶体带隙的影响

利用传输矩阵方法,研究了金属Ag插层对C60/AlN一维光子晶体带隙宽度以及反射率的影响.结果表明：在C60与AlN之间插入Ag组成的［C60/Ag/AlN］n一维光子晶体,与未插入Ag层相比可使带隙增宽73.91%,最大反射率提高到91.01% .该结构可望用于制作紫外线波段的宽带反射镜.     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

一维光子晶体带隙结构研究

在考虑介质色散的基础上,研究了介质层厚度对光子晶体带隙结构的影响.利用传输矩阵法,计算了以LiF和Si两种材料组成的一维光子晶体带隙结构.结果表明,介质层厚度的增加会引起禁带的红移,厚度减小会引起蓝移.分析了含空气缺陷层、金属缺陷层的光子晶体结构,发现空气缺陷层对带隙结构的高反射区域变化不大,而在低反射区域,反射系数为零的波带之间出现了两边反射系数增加,中间反射系数减小的情况.在金属缺陷层的带隙结构中,金属对整个波长范围光的吸收作用不同,金属对低反射区1.6 μm、1.85 μm处透射率较大的透射光吸收作用明显,而在1.28~1.38 μm处透射率波长区间,几乎无吸收.     

Superluminal propagation in plasma photonic band gap materials

Electromagnetic wave propagation in one-dimensional plasma photonic crystal (PPC) made of alternate thin layers of two materials namely plasma and dielectric materials is theoretically studied. Dispersion relation is obtained. Group velocity, effective group index, reflectivity and superluminal behavior have been studied. The study of the reflectivity plot shows that the designed structure works as a perfect reflector/mirror in a certain range of frequency. Left-right and up-down symmetries (and flip-flop) are observed when we study the variation of group velocity with frequency. Abnormal behavior of group velocity (negative) inside the PPC structure creates the superluminal propagation of electromagnetic waves. The marked existence of symmetries may be exploited for directional switching in optical circuits.     

谐振腔提高横向光电效应的量子效率

根据位置敏感探测器的原理,设计了p-i-n型的谐振腔结构,研究谐振腔提高横向光电效应的量子效率。以一维缺陷光子晶体作为顶部光学镜,底部为分布式Bragg反射镜(DBR),中间为激活介质谐振腔。利用传输矩阵法计算了一维缺陷光子晶体的透射特性。由于顶部和底部结构的高反作用,一维缺陷光子晶体的透射谐振导模将被有效地限制在激活介质中。通过对谐振腔模型的分析,得出了激活介质的量子效率,并进行了数值仿真。结果表明,一维缺陷光子晶体的谐振导模能有效提高谐振腔中激活介质的量子转换效率。     

紫外区全角度光子晶体反射镜

根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围328．95～352．11nm,相对带宽为6．80％。实验上采用HfO2和SiO2两种薄膜材料,用电子束蒸发的方法在石英玻璃基板上制备合成光子晶体。若透射率在1％以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331．2～350．4nm,相对带宽5．63％。从而证明了角域叠加设计的正确性。     

Omni-directional mirror for visible light based on one-dimensional photonic crystal

The omni-directional reflection characteristics of one-dimensional photonic crystals composed of Ta 2 O 5 /MgF 2 multi-quantum well (MQW) are studied using the transfer matrix method. An omni-directional reflector consisting of three and four Ta 2 O 5 /MgF 2 MQWs is investigated. Results show that the photonic band gap of the photonic crystal composed of three and four Ta 2 O 5 /MgF 2 MQWs, which are within the wavelength ranges of 402–712 and 412–1,023 nm, respectively, could cover the entire visible region. The relationship among the width of the band gap, its location, reflectivity rate, and incident angle of the incident light is analyzed. The optimal structural parameters of the MQW of the omni-directional reflector in the visible region are also calculated. The calculations provide a guide for the design of omni-directional reflection devices in the visible region.     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.     

一维磁性光子晶体的电磁场分析和数值计算

本文探讨一维磁性光子晶体的概念和结构.提出了一种分析一维磁性光子晶体的法拉第旋转效应的电磁场方法.分析计算表明:嵌于光子晶体中的一层很薄的磁性材料将可获得比单独一层同样厚度的磁性材料大得多的法拉第旋转效应,从而从理论上验证了文献上的相关实验.同时也分析了一维磁性光子晶体用作光子晶体结构下的光隔离器等器件中的法拉第旋转器的可能.