介质覆盖Ag阴极的顶发射有机发光二极管出光效率增强机制及耦合表面等离子体激元研究

采用经典的光学传输矩阵法和微腔理论计算具有不同厚度的功能有机薄膜和电极形式的顶发射有机发光二极管光学的耦合出光效率。根据仿真计算结果,制备了绿色荧光Alq₃顶发射器件并进行了相关测试。研究发现,采用银作为半透明阴极并蒸镀NPB有机覆盖层,相对于无覆盖层的器件来说,出光效率大大增强,该增强效应采用近场光学理论的偶极子辐射与银电极相互作用理论,即耦合表面等离子体激元理论,解释为是金属Ag薄膜阴极增强的透射、变化的微腔增益以及最主要的出光银阴极上的耦合表面等离子体激元效应三个因素的综合作用。     

表面等离子体激元共振溶胶-凝胶薄膜传感器

采用溶胶－凝胶金属氧化物半导体薄膜,作为表面等离子体激元共振效应的光化学传感器的传感介质。分析了金属Ag膜与传感薄膜的光学参数对传感器灵敏度的影响。通过在金属层与传感层之间优化设计中间层,进一步提高了传感器灵敏度。选择SnO2薄膜及SiO2薄膜作为传感层与中间层,对三种气体NH3、C2H5OH、C3H8进行气敏实验,结果表明结构优化的传感器具有更高的灵敏度。     

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。     

表面等离子体激元微盘的优化设计及应用

表面等离子体激元(SPP)微腔具有很高的品质因子和极小的模式体积,在光电子器件研究方面具有重要的应用价值。采用有限元法对表面等离子体激元的金属覆盖介质微盘谐振腔进行理论模拟,研究考虑微盘底半径、介质层厚度及金属膜厚度等参数对微盘表面等离子体模的品质因子及模体积的影响。研究表明,在光通信波段1550nm附近获得高品质因子(1000以上),极低模式体积的表面等离子体微盘。最后研究了利用优化设计的微盘进行折射率传感的应用,获得了高达300nm/RIU的折射率传感灵敏度。     

基于类表面等离子体激元的矩形金属光栅色散特性的研究

等离子体激元(surface plasmon polaritons, SPP)因其独特的光学和物理特性, 使其具有诸如透射增强和局域共振等一系列新颖现象, 已成为当前国内外学者研究的热点. 本文对基于类表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmons, SSP)的矩形金属光栅色散特性和模式分布进行了研究. 利用本征函数法并结合场匹配条件, 获得了矩形栅表面SSP的场表达式、色散关系和模式分布, 并通过电磁仿真进行了验证. 在此基础上分析了矩形栅各参数对SSP色散及模式分布的影响, 研究结果表明: 由本征函数法获得的SSP色散特性与仿真结果基本符合; 增大金属栅高度或减小排列周期能减小SSP的相速度; 而增大金属栅周期占空比能在一定程度上拓展SSP与电子束互作用的带宽; 改变金属盖板高度对慢波SSP色散模式基本没有影响; 减小金属栅侧面宽度能增大模式之间的间隔, 从而能有效避免模式竞争的发生. 本文对基于SSP的矩形金属光栅色散特性的研究将为进一步研究SSP与电子束的相互作用, 形成高效、宽带的新型太赫兹源奠定良好的理论基础.     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

损耗对表面等离子体激元压缩态的影响

表面等离子体激元是金属表面电子集体振荡,它以波的形式在金属和介质之间的界面中传播.近期Huck等证明等离子体激元可以处在压缩态,本文利用量子光学的热库理论,研究金波导损耗对表面等离子体激元压缩态的影响,并对Huck等的实验结果给与理论解释. 关键词： 表面等离子体激元 压缩态 热库理论     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

金属-介质光栅结构表面等离子体耦合效率的模拟研究

表面等离子体可以将光子局域在金属表面附近, 并形成很强的近场能量密度, 可以大大提高金属表面附近分子的发光效率和光电转换吸收材料的利用率, 从而提高发光器件和光电转换器件的效率. 本文研究了在一维周期性金属-介质混合结构的光栅中表面等离子体激元的耦合条件, 给出了耦合效率随着结构和填充因子的变化, 并证明了在光栅的填充因子较高以至光栅的金属间隔较小时, 光子耦合成为表面等离子体的效率较高, 可以达到94%以上. 关键词： 表面等离子体激元 填充因子 光栅 吸收光谱     

Ag纳米颗粒对有机小分子太阳能电池性能的改善

在有机小分子太阳能电池CuPc/C60和TiOPc/C60的阳极ITO表面分别制备了一层Ag纳米颗粒,并采用MoO3作为阳极缓冲层,器件的性能均得到有效改善.Ag纳米颗粒的引入所形成的表面等离子激元共振可显著提高有机光活性层的吸收效率和光生激子的分解效率;而MoO3有效抑制了光生激子在有机/金属界面处发生的猝灭,提高了...     

利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率,将蛾眼微结构应用于OSCs上.通过理论模拟计算,得出在有机层厚度一定的情况下,带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高.通过对微结构形貌、周期和高度的优化,使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3％.器件光场分布的模拟计算表明,光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果.     

表面等离子激元与F-P共振耦合平衡钙钛矿太阳能电池有源层内载流子产生速率

为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）光吸收效率、平衡有源层中载流子产生速率,将周期性纳米光栅结构引入到PSCs器件结构中。分析了光栅周期、光栅高度和有源层厚度对表面等离子激元（SPPs）与法布里-珀罗（F-P）共振耦合模式的影响。通过改变光栅周期,实现了SPPs与F-P共振耦合波长范围与钙钛矿材料的弱吸收光谱区域相重合,同时光栅高度的增加可以增大耦合模式的光谱宽度。SPPs与F-P共振耦合模式实现了金属电极与电子传输层（ETL）界面处的局域电场增强。结果表明:场增强效应扩展到有源区,有效提高了PSCs有源层远入射光侧在570~800 nm波长范围内的光吸收,进而提高了有源层远入射光区域的载流子产生速率。当光栅周期为250 nm、光栅高度为50 nm、源层厚度为300 nm时,PSCs在太阳光弱吸收光谱区域内的本征吸收提高了~12%,有源层远入射光侧载流子产生速率提高了~41%。     

提高OLED光导出效率的异形金属光栅的设计与优化

提出一种用于有机电致发光器件(OLED)的双面对称矩形金属光栅电极,采用时域有限差分方法(FDTD)模拟研究了OLED中表面等离子体激元的激发和耦合传输的物理规律和物理机制,详细计算和分析了该光栅结构的周期、槽宽、光栅高度、槽底厚度、入射光的入射角与电极透射效率的关系,并由此优化了结构的几何参数,使金属电极的光导出效率相对于通常的金属银层电极增强了1.77倍,为基于表面等离子体激元的高效光导出器件的优化设计提供了理论依据。     

基于金纳米棒@二氧化硅表面等离子体共振增强的有机太阳能电池

把包裹SiO₂的金纳米棒（Au NRs@SiO₂）掺杂到有机太阳能电池的活性层中,利用表面等离子体共振效应来增强活性层对光的吸收,从而提高有机太阳能电池的能量转换效率。研究了不同掺杂浓度和不同包裹厚度对电池性能的影响。结果表明,掺杂浓度为1.5%时,器件性能最佳,能量转换效率达到4.02%;SiO₂壳层厚度为3 nm时,转换效率达到4.38%,较标准电池提升了29.2%。     

倒置异质结有机太阳能电池的电子传输层

制备了结构为ITO/BCP或Alq3(x=0,2,6,10,20,40 nm)/C60(50 nm)/Rubrene(50 nm)/MoO3(5nm)/Al(130 nm)的倒置异质结有机太阳能电池,其中BCP或Alq3作电子传输层。实验结果表明:当BCP或Alq3≤6 nm时,器件性能随电子传输层厚度的变化不大;当BCP或Alq3≥10 nm时,随电子传输层厚度的增加,含Alq3器件的性能衰减很快,含BCP器件的性能衰减相对较慢,且其开路电压保持不变。分析表明:当电子传输层较薄时,粗糙的ITO使电子较容易从C60注入到ITO;当电子传输层较厚时,BCP/C60之间的能带弯曲使二者之间几乎不存在势垒,含BCP器件性能较差主要源于BCP较差的电子迁移率,而含Alq3器件性能较差主要源于Alq3/C60之间的势垒。     

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。     

TiO_2阴极缓冲层对Rubrene/C_(70)有机太阳能电池性能的改善

为了提高有机太阳能电池(OSCs)的性能,增强器件在空气中的稳定性,研究了TiO_2薄膜作为阴极缓冲层对OSCs器件性能的影响。制备了结构为ITO/TiO_2/C70/Rubrene/Mo O3/Al的OSCs器件。首先,通过测量器件效率,考察了TiO_2薄膜对Rubrene/C70电池的性能影响。接着,通过控制TiO_2薄膜厚度,研究了TiO_2厚度对器件性能的影响。实验结果显示,当TiO_2修饰层厚度比较薄时,器件的各性能参数较低,随着TiO_2厚度的不断增加,器件的各性能参数呈上升趋势;当TiO_2厚度为81 nm时,器件的各性能参数达到最佳,器件的功率转换效率为1.09%,电流密度为2.55 m A·cm-2,开路电压为0.88 V,填充因子为48.69%;当TiO_2厚度继续增加时,器件的各性能参数开始下降。对比没有TiO_2阴极修饰层的器件,最优时的Jsc、Voc、FF和PCE分别提高了37%、21%、17%和91%,并阐述了性能提高的原因。