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。     

余弦光栅硅薄膜太阳能电池光吸收分析

设计了一维双层余弦共形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法模拟计算了双层余弦共形光栅结构和对照组结构的吸收光谱;利用归一化光吸收密度的概念,定量分析了300~700nm和700~1 100nm两个波段的光吸收效率.结果表明双层共形光栅结构具有更好的全波段吸收效率,且在长波段余弦光栅比矩形光栅具有更好的光捕获和吸收作用.利用光吸收增强谱和电磁场强度分布图,分析了余弦光栅在长波段的吸收增强机理.通过计算短路电流密度,发现双层余弦共形光栅结构比平板结构太阳能电池的短路电流密度提高了79.5%,余弦光栅结构比矩形光栅结构的短路电流密度提高了8.5%.     

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。     

固定体积比例下Ag纳米线对不同光栅结构吸收的影响

为了研究Ag纳米线对单晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响,设计了固定体积比例下具有三角形光栅和矩形光栅的单晶硅薄膜太阳能电池结构.在两种结构的Ag-Si交界处分别添加横向截面为圆形和矩形的Ag纳米线阵列,利用有限时域差分法分别模拟计算了这两种结构的太阳能电池和对照组的吸收光谱.通过扫描优化得到两种光栅结构的最佳高度、纳米线横截面积以及分布密度,并计算出最优条件下300~1 100nm波段的光吸收效率.通过分析光吸收增强谱和电磁场强度分布图得出了含有纳米线模型在长波段的吸收增强机理.结果表明,添加了Ag纳米线后的两种太阳能电池模型均比两种对照组模型具有更好的光捕获和吸收作用,在矩形光栅模型中添加Ag纳米线后吸收效率的提升要比三角形光栅模型中更为明显.研究结果可为新型太阳能电池的结构参数设计提供参考.     

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     

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。     

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%.     

异向混合光栅薄膜太阳能电池光吸收分析

为了分析混合光栅对硅薄膜太阳能电池光吸收的影响,在硅层厚度等效一致的条件下,设计了单一形状、同向和异向混合形状光栅单晶硅太阳能电池结构.利用时域有限差分法分别优化计算了各种混合光栅的最佳尺寸、光生电流密度和光吸收效率,发现异向混合结构的Ag光栅比其他结构具有更好的光吸收能力.通过电磁场强度分布图分析了混合光栅结构的吸收增强机理,并针对异向混合光栅,计算了不同光栅数量组成结构的光生电流密度.同时,利用光吸收增强因子定量分析得出一个三角凸型和一个抛物线凹槽是异向混合光栅最佳数量组合.有规律地改变这种混合光栅的宽度比和高度比,计算光生电流密度.结果发现当宽度比为1∶1,高度比在一个小范围内(0.67～1.86)波动时,这种异向混合结构比平板太阳能电池的光生电流密度提高了62.9%.研究结果可为薄膜太阳能电池的结构和参数设计提供参考.     

光散射与导模共振模型在薄膜太阳能电池结构设计中的应用

利用光散射与导模共振的理论,设计了一种薄膜太阳能电池的陷光结构,对硫属化合物薄膜太阳能电池进行了优化设计,选择多孔氧化铝薄膜(PAA)作为散射层,模型结构层厚度为:窗口层(AZO)320nm,缓冲层(In2S3)65nm,吸收层(SnS)660nm。研究结果表明,光散射与导模共振相结合的薄膜太阳能电池结构能够提高自身的光吸收率,其中由光散射结构提高的全光谱吸收率约为3%。本设计可以优化薄膜太阳能电池的吸收光谱,提高其对近红外波段的光吸收能力,在波长950nm位置的吸收率达到85%,增强了薄膜太阳能电池的光利用率。     

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。     

前后光栅周期对于双光栅结构薄膜太阳能电池光俘获效应的影响

本文用时域有限差分法对硅层等效厚度为100 nm的具有不同前后光栅周期的介质/金属双光栅结构薄膜太阳能电池进行了模拟分析,比较了三角形最佳相同与不同周期光栅结构的吸收光谱特性,分析了光栅高度、填充比、硅吸收层厚度对最佳相同和不同周期光栅结构光吸收特性的影响,以及相应结构中导致光吸收增强的共振模式.结果表明前后光栅周期为1:1的共形双光栅结构中存在光泄漏现象,偏离1:1后的光栅结构可有效地抑制低级次衍射光的泄漏,前光栅周期小于后光栅周期的结构光吸收性能的提高来自于平面波导模式在吸收层中的有效激发和传播,而前光栅周期大于后光栅周期的结构光吸收性能的提高则来自于后光栅界面上所激发的等离子体极化模式.在较厚的硅吸收层厚度,前后光栅周期比为1:2和1:3的电池结构也会出现光泄漏现象,从而使具有最大光吸收效率的结构偏离这些周期比结构的位置.     

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     

金属光栅用于增强非晶硅薄膜太阳能电池光吸收率研究

提高太阳能电池光电转换效率的一个重要途径就是提高它的光子吸收能力。在传统非晶硅薄膜太阳能电池中加入了金属光栅,设计出一种新的复合电池结构。基于严格耦合波分析矢量衍射理论计算了该结构的吸收光谱和增强因子;讨论了光栅宽度、入射光角度和入射光偏振态对吸收的影响。结果显示,设计的太阳能电池结构能够显著提高光的吸收率,在TM偏振光入射条件下,该结构的吸收增强因子最高可达40%;在其他偏振态光线入射时,其吸收增强因子也可达到16%左右。     

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.     

表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率,我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中,分析了具有光栅结构的空气/Ag_1/有源层/Ag_2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度,实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元,其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率,提高了近19%。     

一维铝背栅单晶硅薄膜太阳能电池光吸收分析

分别以铝、银、硅为一维背栅设计了三种单晶硅结构的薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法,在入射光为300nm~1100nm的波长段,计算了三种背栅材料的单晶硅薄膜太阳能电池单晶硅层的光吸收效率;利用计算所得到的磁场强度分布特点,分析了600nm以上波长段光吸收增强的机理.定义了归一化光吸收密度的概念,以定量衡量给定波段的光吸收效率.通过比较三种太阳能电池的归一化光吸收密度和短路电流密度,发现铝背栅比硅背栅和银背栅能更加有效地提高单晶硅薄膜太阳能电池的全波段光吸收效率.     

纳米表面二维周期半圆凹槽增强硅薄膜太阳能电池光吸收

利用时域有限差分方法, 研究硅薄膜上下表面周期半圆凹槽结构对于太阳光吸收的增强效应. 研究发现这种结构可以实现太阳光宽波段的光吸收增强, 通过调节SiO₂表面减反层厚度和凹槽半径长度来实现薄膜太阳能电池最大的光吸收, 并实现了波长在300-1000 nm范围的太阳光吸收总能量比没有这种 结构下硅薄膜光吸收提高了约117%. 关键词： 硅薄膜 半圆凹槽 吸收增强     

提高红外微测辐射热计光谱吸收率的金属光栅结构研究

为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率,设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构,研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。以金作为光栅材料,利用等离激元的谐振结构,克服金属材料的高反射特性,增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。通过改变光栅的结构参数,对等离子共振波长进行调节,提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。利用有限差分法,分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理,研究金属光栅的周期、占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。随着光栅周期由2μm逐渐增加到5μm,吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象,吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5,红外吸收峰的峰值波长向短波长移动,吸收峰高度也逐渐增高,但吸收峰宽度逐渐变窄。光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大,当厚度达到一定程度后,峰值基本保持不变。峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小,当厚度不足100 nm时,峰值波长减小的程度较大,随着厚度的继续增加,下降趋势逐渐变缓,基本维持在10.6μm附近。通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理,对光栅结构参数的进一步优化,大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14μm的平均吸收率达61.6%,峰值吸收率在99%以上。金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究,对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。     

间隔叠合式双层亚波长光栅

提出了一种应用价值较高的防伪光栅结构-间隔叠合式双层亚波长光栅,可以展宽基本光栅的光谱峰值带宽、改善光谱线形和光变效果.分析了亚波长光栅光谱峰值带宽展宽和线形改善的原理,用矢量衍射理论验证了理论分析的合理性,并对特定防伪光变设计要求的双层光栅进行了参量优化和光变特性分析.结果表明,满足同相位条件的光谱线形与基本光栅相同,带宽为基本光栅的两倍;满足反相位条件的光谱线形为准矩形,带宽大于基本光栅;亚波长光栅在传统和非传统照明条件下倾斜均能产生彩色光变效果,且传统照明情况下的光变速率较大,利用这种光变速率差可以制作各向异性光变效果.     

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折射率Si薄膜作为介质补偿层来提高纳米线对垂直偏振态入射光的吸收效率,并将补偿层的上表面设计为光栅结构以减小不同波长下纳米线对不同偏振态入射光的吸收差异从而实现在特定波长范围内的偏振不敏感.除此之外,还采用介质镜和双层纳米线结构来提高器件的光吸收效率,测试结果表明该器件在1605 nm波长处最大探测效率为87%,对应的偏振消光比为1.06.该工作为未来实现高探测效率的偏振不敏感SNSPD提供了参考依据.