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.     

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。     

一维金属光栅的透射光学特性

利用时域有限差分法模拟了一维金属光栅的透射光场的分布及光栅厚度等因素对透射光谱的影响.结果表明:特定波长的光通过金属光栅中的亚波长狭缝时有异常大的透过率增强.分析其物理起源,认为是类FabryPerot(FP)腔作用的结果.基底介电常量对类FP腔长度的调制导致了对透射光谱的影响.金属光栅表面激发的表面等离子体激元波与多缝干涉一样,对透射光谱有一定的影响,但不是形成增强的原因 关键词： 金属光栅 透射光学特性     

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。     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

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%.     

基于方形谐振器的表面等离子体波导传感器

本文利用方形谐振器与两个金属/介质/金属型波导结构耦合设计了一个亚波长的表面等离子体波导传感器,并通过有限元分析研究了此结构的传输特性。研究表明,通过谐振器耦合能有效增强共振波长的表面等离子体波的透射能力,同时减小两侧波导结构与方形谐振器之间的金属势垒层宽度可提高透射率。传感器的共振波长与介质材料的折射率之间存在着线性关系,1阶共振模的灵敏度可达1100nm/RIU。这种传感器可实现器件的小型化,在生物、工业传感领域有着很大的潜力。     

磁光光子晶体结构的法拉第效应增强

在超薄薄膜的基础上,基于时域有限差分法原理,利用FDTD Solutions仿真软件分别研究了基于两种多层膜结构和一种金属光栅结构的磁光光子晶体法拉第旋光效应。研究表明,多层膜结构的法拉第旋光效应增强原理为入射光在薄膜中心层的透射谱谐振,而金属光栅周期结构的法拉第效应增强是通过金属光栅激发表面等离子体实现的;在三种结构中,金属光栅周期结构具有更广的法拉第偏转角增强域。进一步通过参数优化,实现对金属光栅周期结构工作波长的可调节性研究,为薄膜型磁光器件设计提供了理论依据。     

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。     

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     

级联亚波长平面介质栅偏振分束器研究

提出了一种纳米厚度金属层连接的级联亚波长平面介质光栅三明治结构,利用该结构中纳米金属连接层上下界面处的表面等离子共振的互作用形成多波长共振的特点设计了适用于光通信波段（1 300～1 600nm）高性能的宽带偏振器和宽带偏振分束器。利用严格耦合波理论分析发现偏振分束器带宽主要由金属连接层厚度控制,光栅厚度基本不影响偏振分束器带宽,只影响共振深度和共振波长。该结论为后续的制备提供了理论指导和借鉴作用。     

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     

Enhancement of optical absorption in amorphous silicon thin film solar cells with periodical nanorods to increase optical path length

In this paper, we demonstrate an amorphous silicon (a-Si) thin film solar cell (TFSC) with a homogeneous layer of a-Si to absorb short wavelength photons and periodical a-Si nanorod structures for light trapping enhancement for longer wavelength photons. In such a design, the total absorption can be greatly improved. The periodicity and duty ratio of the nanorods were optimized to enhance the total optical absorption within 500 nanometer (nm) to 1000 nm in the hybrid TFSC structure. The best overall absorption can be achieved when period of nanorods is about 500 nm. When the duty ratio of nanorods is 0.6, the average absorption can reach 80% which represents an improvement by 40% compared to the conventional thin film a-Si solar cell without nanorod structures.     

Absorption enhancement of thin film solar cells using back binary metallic grating

We reported in this work that light absorption can be significantly enhanced in an a-Si thin film solar cell with a nano binary metallic grating patterned on the bottom side. The enhancement is mainly due to combination of several kinds of optical modes. Cavity mode, at the transverse and longitudinal cavities and surface plasmon mode, propagating along the interface of silicon and silver are the main modes contributing to the enhancement. Some key parameters including grating period, width, height and active layer thickness are optimized. The integrated absorption rate of the optimized system reaches 76.55 % for the wavelength range from 300 to 950 nm under AM1.5G spectrum.     

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%.     

Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor using continuous film metallic gratings

A surface plasmon resonance (SPR) sensor based on continuous film metallic gratings is numerically investigated for enhance sensitivity. The results calculated by rigorous coupled-wave analysis (RCWA) present that interplays between localized surface plasmons and surface plasmons polaritons contribute to sensitivity enhancement. The sensitivity enhancement factor (SEF), which represents the influence of metallic grating, increased as the grating period decreased. In addition, several reflection dips can be achieved as the period of metallic grating increased. By double-dips method, the sensitivity SPR sensor based on continuous film grating-based is improved into 153.23°/RIU, which is more sensitive than conventional thin film-based SPR sensor in the same condition. The SPR sensor based on continuous film metallic gratings exhibits good linearity.     

Ag-BaO薄膜在垂直表面电场作用下的光吸收增强

Ag-BaO薄膜是金属纳米微粒埋藏于半导体介质中的功能复合薄膜,它具有超快的光电时间响应,可以检测超短激光脉冲,在Ag-BaO薄膜表面加入垂直电场,可以提高薄膜的光电发射效率,在垂直表面电场作用下近紫外波段光吸收有较明显增强现象,在波长λ=303nm处15V电压作用下光吸收增强6.5%,30V电压作用下增强18%。这种光吸收增强是由于在电场作用下,薄膜的能带结构发生倾斜,以及在强电场下能级分裂。光吸收涉及被激发电子在倾斜能带间隧穿几率的增加,和被激发电子在这些分裂能级间的跃迁。     

Al纳米颗粒增强微晶硅薄膜太阳电池光吸收的模拟研究

利用价格低廉、性能优良的金属纳米颗粒增强太阳电池的光吸收具有广阔的应用前景. 通过建立三维数值模型, 模拟了微晶硅薄膜电池前表面周期性分布的Al纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响, 并对其结构参数进行了优化. 模拟结果表明: 对于球状Al纳米颗粒阵列, 影响电池光吸收的关键参数是周期P与半径R的比值, 或者说是颗粒的表面覆盖度; 当P/R=4–5时, 总的光吸收较参考电池提高可达20%. 与球状颗粒相比, 优化后的半球状Al纳米颗粒阵列可获得更好的陷光效果, 但后者对颗粒半径R的变化较敏感. 另外, 结合电场分布, 对电池光吸收增强的物理机理进行了分析.     

Enhanced downconversion of UV light by resonant scattering of aluminum nanoparticles

Metallic nanoparticles are known to enhance nonlinear optical processes due to a local enhancement of the optical field. This strategy has been proposed to enhance downconversion in thin film solar cells, but has various disadvantages, among which is the fact that the enhancement occurs only in a tiny volume close to the particles. We report on a very different physical mechanism that can lead to significant downconversion enhancement, namely, that of resonant light scattering, and which is a large volume effect. We show that only a tiny amount of resonantly scattering metallic (aluminum) nanoparticles is enough to create a significant enhancement of the fluorescence of dye molecules in the visible wavelength range. The strategy can be applied in general to increase the emission of UV-absorbing constituents, and is of particular use for solar energy.