基于光栅结构薄膜太阳能电池吸收层结构设计和优化

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池,利用严格耦合波方法分析了矩形光栅和双层矩形光栅结构砷化镓吸收层在280~900nm入射波长范围内的吸收效率.分析表明:在吸收层厚度一定的条件下,矩形光栅结构相比于平坦形吸收层的吸收率有较大提高;双层矩形光栅吸收效果更为明显,其对可见光的吸收率在较大波长范围内比单层矩形光栅提高了至少10%,比平坦形提高了至少20%.可见通过结构设计,光子在光栅内随机反射增加了光在吸收层的作用时间和距离,增强了吸收层对光的吸收率,进而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率.     

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%.     

亚波长金属光栅的光耦合增强效应及透射局域化的模拟研究

介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体（surface plasmons,SPs）可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强.增强作用从500 nm延续到近红外区域.在波长610 nm附近有接近110%的增强,在波长700 nm及740 nm处也有180%左右的增强.而这个波长范围与薄膜太阳能电池的吸收谱很相近,因此这种结构有望大幅度提高薄膜太阳能电池及不同波长光探测器等光电转换器件的光耦合效率. 关键词： 表面等离子体 亚波长光栅 薄膜太阳能电池 透射增强     

超构平面的色散关系研究

本文研究超构平面的光-物质相互作用机理。以13 nm Ge/20 nm Al₂O₃/Ag结构为例,建立色散方程、计算色散关系曲线。研究表明:超构平面支持Brewster共振模式,满足波矢匹配条件时可由从空气中入射的电磁波激发,使共振波长处吸收率接近100%(厚度只有13 nm的Ge薄膜中吸收率超过96%)。还表明:在很宽水平方向波矢量范围内,超构平面TM和TE偏振色散关系曲线近似为水平线,因而具有广角度和偏振不敏感吸收特性(结构对60°入射的两种偏振光的吸收率仍超过90%)。     

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。     

一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计

分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构,采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收。计算结果表明:在仅考虑TM偏振的情况下,优化后的增透膜与无增透膜相比,300～840 nm波长范围内的吸收平均提高了35%左右;优化后的背反射器与无背反射器相比,700～840 nm波长范围内的吸收平均提高了23%左右。该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收,可以提高太阳能电池的转化效率。     

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     

氮化铌纳米线光学特性

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及透射光谱:1)双面热氧化硅衬底背面对光结构;2)双面SiN硅衬底背面对光结构;3)硅衬底上以金层+SiN缓冲层为反射镜的正面对光结构;4)以分布式布拉格反射镜(DBR)为衬底的正面对光结构.并在上述四种器件结构基础上,生长了不同厚度的NbN薄膜,观察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.经分析,发现在不同器件结构下的最佳NbN厚度与光吸收率的关系如下:双面热氧化硅衬底上的NbN层在1606 nm处最大吸收率为91.7%,其余结构在最佳NbN厚度条件下吸收率都能达到99%以上.其中双面SiN的硅衬底结构中最大吸收率为99.3%, Au+SiN为99.8%, DBR为99.9%.最后,将DBR器件实测结果与仿真结果进行了差异性分析.这些结果对高效率SNSPD设计与研制具有指导意义.     

基于有机半导体的宽波段薄膜太阳能吸收器

具有平面结构、纳米尺度的半导体薄膜是太阳能电池的重要组成部分。平面结构加工简单廉价,纳米尺度薄膜量子效率高,但这类结构光学吸收能力差。因此,本文研究如何采用简单平面结构,增强厚度只有几十纳米的半导体薄膜的宽波段吸收特性。研究发现当半导体材料折射率随波长正比例变化、吸收指数不随波长变化时,一定存在一对透明材料厚度和入射角度,使得半导体薄膜/透明材料/金属基底平面薄膜结构具有宽波段完全吸收特性。研究结果可作为宽波段太阳能吸收器的设计准则。以厚度只有35 nm的P3HT:PC_(70)BM薄膜为例,在420和600 nm波长处,设计吸收率均超过95%,从而显著拓宽高吸收率的波段范围,使光生电流比参考结构提高42%。     

缓冲层对导模共振滤光片反射光谱截止特性的影响

提出将均质多层膜系设计中的缓冲层概念71入到反射导模共振(GMR)滤光片的设计中,通过严格的耦合波理论精确计算,研究了加入缓冲层对改善导模共振滤光片反射峰边带截止深度及截止宽度的作用.双层导模共振滤光片结构中,入射光为TE偏振光时,设计增加97.5 nm缓冲层后,能够明显地展宽反射光谱范围.由原来的192.4 nm展宽到345.6 nm,并且在650～1250 nm波长范围内的边带截止度均比不含缓冲层结构的要深.入射光为TM偏振光,以类似TE结构的滤光片在布儒斯特角入射时,在700~1300 nm波长范围内,较不含缓冲层的结构,也能够获得更宽的截止带反射光谱和更深的截止度.在提出的膜系结构中,经过优化膜系、选择合适的光栅参数等,可以使反射光谱具有更好的截止特性,同时保证设计的共振峰位置不变.     

新型硅薄膜太阳能电池混合陷光结构

针对应用于薄膜太阳能电池的一种混合陷光结构进行了分析研究,该结构由位于电池正面的电介质颗粒和位于电池背面的金属颗粒构成.运用有限时域差分法模拟分析了正面电介质颗粒与背面金属颗粒对光吸收增强的不同作用范围.运用电场图分析了其对光吸收增强的机制,包括两种颗粒的散射作用和金属纳米颗粒的表面等离子体近场增强作用.分别优化了正面电介质颗粒和背面金属颗粒的材料、大小等参量,获得了一种优化后的混合陷光结构.实验表明带有这种混合陷光结构的电池短路电流密度相对于参考电池提高了30.3%,该方法为提高薄膜太阳能电池效率提供了新思路.     

基于光栅结构的砷化镓高效率吸收层设计

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池,利用严格耦合波方法对矩形光栅和三角形光栅结构砷化镓吸收层在300～900 nm入射波长范围内的吸收效率进行了分析。结果表明:相比于平坦吸收层,两种光栅结构在TE和TM偏振光条件下吸收效率均有提高,峰值吸收率可提高55.9%。并对矩形光栅、三角形光栅结构参数进行了优化设计,对两种光栅吸收层的角度依赖性做了分析,得出在填充比和厚度相同的情况下,正三角形光栅吸收层的角度依赖性最优。最后利用有限元法对入射光在电池吸收层的吸收增强效应进行了理论模拟,通过与平坦结构吸收层的电场分布对比,可以直观地看出入射光在光栅结构吸收层的吸收增强效应。该研究结果为制备高效率、高性能太阳能电池结构提供了参考依据。     

带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强

导模共振光栅是一种典型的平面波导共振结构,可在光栅表面或波导层内形成较强的局域电场,能增强光与物质的相互作用.本文在导模共振结构的光栅层和基底层之间,引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层,显著增强了局域电场与增益介质的接触度.结果表明,引入多孔二氧化硅后,共振产生的电场增强区域上移至激光染料层,增加了激光染料与电场的相互作用,实现了激光出射增强.本文基于时域有限差分法,对结构参数进行分析优化,研究了820 nm共振波长激发下的出射激光特性,得到了连续的激光出射,其能量阈值约为2.5 mJ/cm^2,线宽约为0.3 nm.本文提出的结构实现了对表面局域电场的有效调控,增强了激发光与增益介质的相互作用,不但可应用于激光器,还为其它发光器件的设计提供了参考.     

硅基有机太阳能电池光学性能分析

采用传输矩阵法的光学模型以及MATLAB软件模拟了硅基有机太阳能电池对入射光的吸收率和各层厚度的关系。模拟表明活性层对入射光的吸收率主要受其自身厚度影响,且由于微腔效应,这种结构的电池可以很大程度上优化活性层厚度;另外通过调节折射率匹配层厚度和传输层厚度也可以优化活性层对入射光的吸收率。在本文所讨论的厚度中,最佳传输层厚度为10 nm左右,最佳匹配层厚度为30 nm ZnS或者60 nm Alq₃。     

亚元对称双光栅增强非晶硅薄膜太阳电池吸收率

提出在非晶硅薄膜太阳电池吸收层的上下表面采用亚元对称光栅来提高薄膜电池吸收率。采用严格耦合波分析法研究发现,对于厚度为400 nm的非晶硅薄膜,在600~750 nm波长范围内,这种新型光栅能有效地减少从上表面反射的入射光和从下表面透射的泄漏光,并增强吸收层的吸收率。仅在上表面采用亚元对称光栅,优化后的吸收率可以增强71%;仅在下表面采用光栅,吸收率增强24%;在上下表面同时采用光栅,太阳电池的吸收率可以增强81%。本研究为设计易于制作的具有高吸收率的薄膜太阳电池提供了新的思路。     

基于导模共振效应三基色窄带滤光片的研究

为获得性能优良的三基色窄带滤光片,提出了一种基于减反射薄膜波导光栅结构的导模共振滤光片.该滤光片由亚波长光栅结构、波导层和基底组成.采用严格耦合波理论分析了亚波长光栅结构和波导层厚度对导模共振滤光片反射光谱性能的影响.数值分析表明λ/4-λ/2-λ/4结构能有效提高导模共振滤光片的性能.当光栅结构位于基底侧时,红绿蓝三...     

In_2O_3:Sn中间层改善B掺杂ZnO薄膜的性能及其应用研究

金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长的掺硼氧化锌(BZO)薄膜,具有天然的"类金字塔"绒面结构,作为硅基薄膜太阳电池的前电极具有良好的陷光效果.但直接获得的BZO薄膜表面形貌过于尖锐,影响后续硅基薄膜材料生长质量及太阳电池的光电转换效率.本文设计了以一层超薄In2O3:Sn(ITO)薄膜(～4 nm厚度)作为中间层的多层膜,并通过对顶层BZO薄膜的厚度调制,改善BZO薄膜的表面特性,薄膜结构为:glass/底层BZO/ITO/顶层BZO.合适厚度的顶层BZO薄膜有助于获得类似"菜花状"形貌特征,尖锐的表面趋于"柔和",而较厚的顶层BZO薄膜仍然保持"类金字塔状"结构."柔和"的BZO薄膜表面结构有助于提高后续生长薄膜电池的结晶质量.将获得的新型"三明治"结构多层膜应用于p-i-n型氢化微晶硅(μc-Si:H)薄膜太阳电池,相比传统的BZO薄膜,电池的量子效率QE在500—800 nm波长范围提高了～10%,并且电池的Jsc和Voc均有所提高.     

Ag@SiO_2耦合结构设计及其对薄膜太阳电池的响应调控

Ag@SiO_2纳米耦合结构同时具有等离激发和衍射散射特性,可有效调控光波的行进路径和能量分布,在薄膜太阳电池陷光领域极具潜力.本文基于时域有限差分方法和严格耦合波分析,建立三维电磁仿真模型,研究Ag@SiO_2耦合结构对非晶硅电池光谱响应的调控机理,通过优化设计,得到高陷光电池器件.结果表明:当Ag和SiO_2特征尺寸分别为18和150 nm时,共振波和衍射波达到最优耦合,通过耦合结构进入电池响应层的透射光谱最大,相应量子效率显著增强.与同尺寸的平面电池相比,其光电转换效率从7.19%提高到7.80%,相对提高了8.48%.     

导模共振滤波器用二氧化钛薄膜制备及研究

利用原子层沉积技术在具有二维结构的石英玻璃上制备出二氧化钛（TiO2）薄膜,并在不同的温度下进行退火处理。对样品的晶体结构、表面形貌、表面粗糙度以及光谱特性进行研究,结果表明：当热处理温度为200～400℃时,所制备的二氧化钛薄膜具有较好的锐钛矿结构,无其他杂相存在。随着热处理温度的增加,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,薄膜折射率变大,但表面粗糙度均小于0.4 nm。研究了由单层二维结构光栅和光波导层（二氧化钛薄膜）组成的导模共振滤波器,采用严格耦合波理论分析了该装置在不同条件下的光谱特性。结果表明,通过改变光波导层二氧化钛薄膜的折射率,可以控制该装置共振波长的位置,并保持窄线宽特性。该装置的波长控制范围为946.9～967.9 nm,半峰全宽小于0.8 nm。     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.