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.     

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%.     

级联一维光子晶体全方位反射器的带宽最大化

理论研究了由级联一维光子晶体构成的光子异质结构的全方位透射(反射)特性.其中各级联光子晶体的高低折射率介质相同、光学厚度比不同.以两个光子晶体级联的结构为对象,利用传输矩阵方法系统研究了不同偏振态光在不同入射角时光子帯隙的变化,得出实现全方位光子带隙的最大展宽条件,即前一光子晶体的帯隙上限要和后一光子晶体的带隙下限在最大入射角时重合.分别给出了满足和不满足该最大展宽条件的级联结构的全方位带隙参量,通过对全方位带隙宽度的比较说明了满足最大展宽条件的级联结构具有最大的全方位带隙宽度.     

锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟

采用时域有限差分方法,模拟研究在本征吸收层引入锥形二维光子晶体(2D PC)后,其结构参数变化对单结微晶硅电池各膜层吸收的影响规律.研究表明,2D PC的纵横比(高度与周期之比)对电池本征吸收具有决定性影响.周期小于1μm时,本征吸收随着纵横比的增大先上升后下降,纵横比为1时达到最大值;周期大于1μm时,本征吸收达到最大值的纵横比小于1,且周期越大,实现本征吸收最大化的纵横比越小.当周期为0.5μm,纵横比为1时,锥形2D PC电池的本征吸收达到峰值,短路电流密度为27.8 mA/cm2;与平面结构相比,短路电流密度提升5.8 mA/cm~2,相对增加27%.该研究突破了以往认为绒面陷光效果主要取决于绒面形貌横向特征尺寸的观点,对实验获取最佳的周期或随机绒面陷光结构具有指导意义.     

一维衍射光栅和一维光子晶体组成的硅薄膜太阳能电池背反射器

设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于薄膜硅太阳能电池的背反射器,采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化,并对400~1 200 nm入射电磁波的反射率进行了模拟计算。结果表明:在高反射率的一维光子晶体作用下,利用衍射光栅可以得到大倾角的反射光,有效地延长光子在电池吸收体的传播路径,使其得到充分吸收。衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以大幅提高电池的捕光能力,提高太阳能电池的转化效率。     

用于可见光区的薄膜光子晶体全角度反射器

采用角域叠加方法可以有效地获得可见光区域的一维光子晶体全角度反射器. 4个TiO₂ /SiO₂薄膜光子晶体用角域叠加形成全角度反射的相对带宽为4133%, 而在同样条 件下用常规的频域叠加方法合成的全角度反射的相对带宽仅为1426%. 阐述了角域叠加的 基本原理，计算给出了可见光区域的全角度反射器，并提出用角域叠加方法可方便地构建频 域叠加所无法实现的紫外区域的全角度反射器. 关键词： 薄膜光子晶体 可见光区域 全角度反射器 角域叠加方法     

高反射率硅基薄膜一维光子晶体的研究制备

采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法,研究制备了一种基于硅基薄膜的高反射一维光子晶体。通过交替改变反应气体组分实现低折射率Si Ox层和高折射率a-Si层的交替层叠沉积,具有两种膜层介质折射率比大、反射率高、沉积时间短、工艺窗口宽等优点。采用5周期的Si Ox层与a-Si层构成的一维光子晶体(厚度分别为155 nm和55 nm),其禁带范围内(650~1 100 nm)的平均反射率达到99.1%,高于相同波长范围内Ag的平均反射率(96.3%)。     

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.     

非线性一维光子晶体波导光双稳

利用非线性折射率系数较大且非线性时间响应较快的CdS_xSe_1-x玻璃为材料,设计并制备了非线性一维光子晶体波导光双稳器件,该器件的折射率空间分布呈正弦形式。实验测得双稳开关的阈值功率密度为1.60×10⁵W/cm²,开关时间为63ps。采用时域有限差分方法讨论了光子晶体带隙随入射光强变化而移动的情况,随着入射光功率密度的增加,光子晶体的带隙中心向短波方向移动。同时计算了该器件的双稳特性,理论计算得到双稳开关的阈值功率密度为1.40×10⁵W/cm²,开关时间约为50ps。获得了理论与实验基本一致的结果。     

一维光子晶体的带隙分析

本文用转移矩阵法推导出一维光子晶体的禁带存在的判据;讨论了在光线正入射时,光子禁带存在的条件及特性.     

一维磁光子晶体的法拉第效应

由于一维磁光子晶体能同时展示出很好的光透射率和法拉第旋转,故可用于实现小尺度的磁光隔离器。采用传输矩阵法研究了由磁光膜(Bi∶YIG)和电介质膜(Ta2O5,SiO2)构成的一维磁光子晶体,分别讨论了在垂直入射和斜入射条件下的法拉第效应,并给出了几种可行性结构,对磁光隔离器件的进一步改进设计具有一定的参考价值。     

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.     

光子晶体及其应用

 过去的50年中,人们通过对半导体的深入研究及其广泛应用,极大地推动了电子工业和信息产业的发展。在电子信息领域,较小体积的电路和更高的信息交换速度是当今科学家不断追求的目标。我们知道线路越细,电阻就越大、能量散失就越多,而更高的速度则提高了信号同步的准确性要求。在电子线路已经发展到极限的今天,科学家们把注意力转向了光。这是因为光子有着电子所不具备的优势:速度快,彼此间不存在相互作用。如果能实现这一点,信息的传输速度将快得无法想象。我们虽然已经朝这个方向迈出了可喜的一步--光纤的使用,但是对于信息的输入和输出,光纤依靠的仍然是传统的电子器件,这大大限制了信息的传输效率。光子晶体可能将扭转这一局面。     

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     

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.     

一维光子晶体微腔在硅基材料发光中的应用研究

硅基材料的高效发光对未来硅基光电子集成的发展极其关键,含微腔的一维光子晶体可以显著提高其发光强度、窄化其发光峰.介绍了几种硅基材料发光的一维光子晶体微腔结构,包括单缺陷模式的对称与非对称结构、多缺陷模结构及电注入结构.利用传输矩阵法计算其缺陷模透射谱,以间接分析其发光谱.     

一维光子晶体的基本周期结构及其禁带特征

本文采用光学导纳特征矩阵方法讨论了光波在一维分层介质的传播特性,分析了一维光子晶体的基本周期结构对光子禁带的特征的影响,指出了这种特性的应用.     

一维磁光子晶体实现光隔离的应用研究

采用4×4传输矩阵法研究了两种结构一维磁光子晶体的光隔离特性.结构一在外加磁场与光路光轴方向呈52.0°时,用7.96μm的总厚度在中心波长附近0.95nm范围内实现了光隔离,在此范围之内法拉第旋转角和透射率分别在45°~50.65°和97.01%~99.96%之间波动,结构仅包含43层光学薄膜,易于实际制备;结构二在外加磁场与光路光轴方向呈32.7°时,用11.54μm的总厚度在中心波长附近0.85nm范围内实现了光隔离,在此范围之内法拉第旋转角和透射率分别在45°~48.55°和98.85%~100%之间波动,结构包含73层光学薄膜,与结构一相比,该结构具有更高的透射率和更平坦的光谱.用这两种结构的一维磁光子晶体代替目前商用磁光隔离器中的块状磁光介质,可实现磁光隔离器的集成化.     

一维光子晶体在热光伏技术中的应用

将光子晶体的禁带特性应用于热光伏技术的光谱选择控制.针对锑化镓(GaSb)热光伏电池,采用硅(Si)和二氧化硅(SiO2)优化设计了一维光子晶体滤光器.研究了这种滤光器的光谱特性,分析了滤光器的介质层厚度偏差、周期以及热辐射能量入射角度对滤光器光谱特性的影响,研究了高温辐射体不同温度时这种滤光器的光谱效率.     

一维光子晶体中的电磁模密度

阐述了电磁模密度(EDOM)的概念及其在描述光辐射中的重要作用.推导了有限大小的均匀介质和一维光子晶体EDOM的解析表达式,计算出由λ₀/4薄片构成的一维光子晶体的EDOM,明显看出一维光子晶体中EDOM受光子带结构调制的现象;分析了在带边缘处EDOM有极大增强的现象,其值近似正比于周期数N的平方和两种介质折射率差的平方,并用数值计算结果证实了这一特点.