Photonic crystal microcrystalline silicon solar cells

Enhancing the absorption of thin‐film microcrystalline silicon solar cells over a broadband range in order to improve the energy conversion efficiency is a very important challenge in the development of low cost and stable solar energy harvesting. Here, we demonstrate that a broadband enhancement of the absorption can be achieved by creating a large number of resonant modes associated with two‐dimensional photonic crystal band edges. We utilize higher‐order optical modes perpendicular to the silicon layer, as well as the band‐folding effect by employing photonic crystal superlattice structures. We establish a method to incorporate photonic crystal structures into thin‐film (~500 nm) microcrystalline silicon photovoltaic layers while suppressing undesired defects formed in the microcrystalline silicon. The fabricated solar cells exhibit 1.3 times increase of a short circuit current density (from 15.0 mA/cm² to 19.6 mA/cm²) by introducing the photonic crystal structure, and consequently the conversion efficiency increases from 5.6% to 6.8%. Moreover, we theoretically analyze the absorption characteristics in the fabricated cell structure, and reveal that the energy conversion efficiency can be increased beyond 9.5% in a structure less than 1/400 as thick as conventional crystalline silicon solar cells with an efficiency of 24%. © 2015 The Authors. Progress in Photovoltaics: Research and Applications published by John Wiley & Sons Ltd.     

1维光子晶体的能带结构分析

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。     

窄线宽光子晶体红外光滤波器研究

利用传输矩阵法研究了光通信中850nm、1330nm和1550nm三个波长的光子晶体滤波器。研究了如何通过选择各层的折射率及宽度使滤波器工作在给定的波长上并具有极窄线宽的方法。经过数值计算分别得出了工作于这三个波长上的光子晶体滤波器的参数。计算结果表明,当缺陷模厚度保持不变时,中心波长会随折射率的增大向长波移动。通过选择适当的参数,可制作出工作于850nm、1330nm和1550nm波长上的线宽为0．0001nm的极窄线宽光子晶体滤波器。     

1维石墨烯光子晶体的电磁吸收特性

为了研究1维石墨烯光子晶体在可见光波段的吸收特性,采用传输矩阵的方法进行了理论分析和数值仿真,得到了1维石墨烯吸收特性与石墨烯层数、缺陷层介质厚度、电磁波模式有关的结果。结果表明,增加石墨烯层数时,对波长为556nm左右的绿光的吸收作用明显增强;缺陷层介质厚度增加时会引起吸收峰的增加;在TE模式下,入射角对石墨烯光子晶体吸收特性影响较小。该研究结果为1维石墨烯光子晶体吸收器的设计提供了理论依据。     

金属-石墨烯光子晶体-金属结构的吸收特性

金属-石墨烯光子晶体-金属复合结构可实现多带吸收。为了解该复合结构的吸收特性, 采用传输矩阵法, 研究了可见光波段结构参量对其多带吸收特性的影响。结果表明, 各吸收带的中心波长与石墨烯化学势的大小无关; 吸收带的个数与石墨烯光子晶体周期单元个数及电介质层的光学厚度有关; 周期单元数越大, 介质层光学厚度越大, 吸收带的个数就越多; 两金属层的厚度对吸收特性的影响存在差异, 要使光吸收率尽可能高, 衬底一侧的金属层要尽可能厚, 入射空间一侧的金属层的厚度则存在一个最优值; 垂直入射时合理选择相关参量, 各主要吸收峰可有90%以上的吸收率。此研究结果为研制基于石墨烯的多带光吸收器提供了参考。     

一种基于光子晶体结构防红外辐射涂层的研究

为减少蒸气在管道传输中的能耗,针对蒸气所辐射的特征波长在4007.1～7765.7 nm的电磁波,选用常见的Si和SiO2为介质,并在考虑各自色散关系的基础上,设计了一种具有光子晶体结构的保温涂层.利用传输矩阵法计算表明:当两介质各取4层,其几何厚度分别取410.5 nm和972 nm时,在4450 ～ 7600 nm...     

单折射率层缓变结构-维光子晶体的能带特性

利用特征矩阵方法研究了一类周期厚度变化的一维光子晶体的能带特性。该光子晶体保持其中一折射率层的几何厚度不变,而另一折射率层的几何厚度缓慢变化。研究表明,与通常的均匀结构光子晶体的带隙相比,这种光子晶体能使光子带隙拓宽。改变高折射率层的几何厚度,光子带隙的拓宽更为显著。在设计光子晶体时,可以根据需要,通过缓慢改变光子晶体某一折射率层的几何厚度可实现对光子带隙的控制。     

一维光子晶体透射率的数值模拟

根据光子晶体的电磁特性,求解麦克斯韦方程,应用传输矩阵法求解一维光子晶体中电磁波传播的透射率特性,通过改变构成一维光子晶体的层数、材料折射率和材料厚度,得到层数变化对禁带宽度变化影响不大,折射率差值增大时带隙宽度也逐渐增大,两介质厚度有一定厚度差比厚度一样时形成较宽带隙。     

获得一维光子晶体最大带隙的介质宽度精确组合

采用传输矩阵法对一维光子晶体的带隙结构进行了研究.当介质层的宽度发生改变时,带隙也随之相应地发生变化.数值分析结果表明:通过对介质层不同厚度的组合可获得连续且更大的带隙,运用此方法可在不改变光子晶体材料总体介质厚度的情况下获得理想的滤波效果.     

复周期结构光子晶体的光子能带特性研究

本文构思了一种每个周期内部有几个不同的小单元的复周期结构光子晶体，并利用光学传输矩阵法对这种光子晶体进行了数值模拟计算。计算结果表明，这种复周期结构光子晶体比普通结构的光子晶体多出1个大的光子禁带区。适当调整参数还可以分别获得多通道窄带滤波特性、带通滤液特性和窄带透过特性。     

基于石墨烯和1维光子晶体的THz宽带吸收器

为了获得宽带高效率光波吸收器,设计了石墨烯和1维光子晶体的复合结构,采用修正的传输矩阵法研究了其传输特性。结果表明,在一定条件下,复合结构在太赫兹波段具有一定带宽和高效率的吸收带,吸收带的位置和宽度与1维光子晶体通带一致;在一些特别的吸收带,吸收峰值达到1;对相同的结构吸收结果还与入射方向有关。石墨烯和1维光子晶体的结合进一步拓展了它们的应用范围。     

对称结构光子晶体的表面光学Tamm态

利用传输矩阵理论和等效原理,从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态,结果表明:当光子晶体的排列周期无限大时,入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件,从而不出现表面光学Tamm态;当光子晶体被截断成有限周期时,其表面可支持表面光学Tamm态的存在,且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象,离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态;当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时,容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态,与最外层低折射率介质匹配时,则难以实现表面光学Tamm态;通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。     

多通道可调谐1.55μm光子晶体滤波器

建立了（AB）N型一维光子晶体结构多通道可调谐滤波器模型,其中A层是砷化镓（GaAs）材料,B层是由掺铝的氧化锌层和氧化锌层（AZO/ZnO）交替排列构成的具有人工周期结构的各项异性材料。根据电磁波的传输矩阵理论,推导了光子晶体的透射率公式。数值模拟表明:此结构光子晶体透射中心波长是1.55 m,对应于光子通带;透射峰的数量由光子晶体的周期N决定;B层中填充因子h从2/3增加到11/12,峰值波长蓝移且移动范围超过200 nm;A和B层厚度增加,透射峰中心波长发生红移;而入射角度的增加将使透射峰中心波长蓝移;在各参数的调控范围内,光子晶体均保持较高的透射率不变。这些现象为光通信波段多通道可调谐高性能滤波器的设计提供了理论参考。     

Extraordinary optical properties of Fibonacci quasi-periodic 1D superconducting photonic crystals in near-zero-permittivity operation range

In near-zero-permittivity operation range, the position-dependent extraordinary optical properties of a one dimensional (1D) Fibonacci quasi-periodic superconducting photonic crystal (PC), which consists of alternating superconductor and dielectric layers, are theoretically investigated by using the transfer matrix method. Based on the calculated reflectance spectrum, it is shown that the extraordinary optical properties depend on the relative positions of the threshold wavelength and the photonic band gaps (PBGs). By suitably choosing the thickness of the superconducting or dielectric layer, a transmission narrow band filter or resonator can be designed without introducing any physical defect in this structure.     

Effects of negative index medium defect layers on the transmission properties of one-dimensional photonic crystal

The photonic band gap structure of 1D photonic crystal with a negative index medium defect layer is studied by using the transfer matrix method. Investigations show that the introdution of negative index medium defect layer and the increase of the negative index value will result in an extension of the band gap. Moreover, by increasing the negative index, the width of defect layer and the numbers of period photonic crystal, the width of defect modes will be narrowed, which is advantaged to obtain optical filters with narrow band. Finally, the effects of absorption on the properties of band gap and on defect modes have been discussed.     

含金属层一维三元光子晶体结构的高吸收特性研究

利用传输矩阵理论,分析了含金属层的一维光子 晶体对太阳光谱的吸收特性。通过对一维光子晶体透射谱、 反射谱和吸收谱的分析,分别研究了金属层的消光系数、色散系数、入射角和光子晶体结构 的周期数目变化对吸收率的 影响。结果表明随着消光系数和周期数的增加,吸收率都明显增加,谱线宽度和高吸收带位 置基本保持不变;吸收率随 着色散系数的增加变化规律略有不同,不同吸收带的频谱位置向长波方向移动,谱宽基本保 持不变;吸收率均值随入射 角的增加而减小,而且频谱位置向长波方向移动;一维光子晶体结构周期数增加,各吸收 带的吸收率波动程度减小。 本文结果可用于提高对太阳光辐射的吸收,为光子晶体的设计及其在太阳能利用方面的应用 提供重要依据。     

一维光子晶体的对称缺陷模特性

基于介质薄膜理论,设计了含对称缺陷的一维光子晶体结构,用传输矩阵法研究了该对称缺陷晶体的带结构及缺陷模的变化特点。结果显示,随缺陷层个数增大,缺陷模的峰值会增大,宽度会变窄;随缺陷层厚度增大,缺陷模会向长波方向移动,在一定厚度下会出现多缺陷模特点。随周期单元个数变大,缺陷模个数会减少,最终获得一窄带缺陷模。随周期单元厚度增大,禁带宽度明显变宽,缺陷模会变宽并出现右移特性。这些结果对设计新型光子晶体器件有着重要意义,如实现光波滤波器的可控选频、频带缩放功能等。     

两端对称缺陷复合光子晶体特性研究

用传输矩阵法计算了两端对称缺陷复合光子晶体的传输特性。计算结果表明：两端对称缺陷复合光子晶体［D（AB）mD］2结构中的禁带出现两个完全共振透射峰。通过控制温度来微小改变光子晶体介电层的厚度,使得完全共振透射峰移动,且各介质厚度的变化与透射峰波长的变化呈良好的线性关系,折射率大的介电层厚度的变化对共振透射峰波长的变化较大。此结果为设计所需要的共振透射峰波长的双通道滤波器提供了理论依据,也为该结构实现热敏开关提供了理论基础。     

1维3元非磁化等离子体光子晶体禁带特性研究

为了研究1维3元非磁化等离子体光子晶体的禁带特性,采用传输矩阵法仿真计算了电磁波在1维3元非磁化等离子体光子晶体的传播规律,用计算得到的电磁波透射系数讨论了周期常数、介电常数、介质层厚度和等离子体参量对其禁带特性的影响。结果表明,改变介电常数、介质层厚度和等离子体频率可以实现对带隙的调制,增加周期数和等离子体频率不能实现对禁带的拓展。这一结果为设计1维3元非磁化等离子体光子晶体器件提供了理论参考。     

Ultra-wide tuning single channel filter based on one-dimensional photonic crystal with an air cavity

By inserting an air cavity into a one-dimensional photonic crystal of LiF/GaSb, a tunable filter covering the whole visible range is proposed. Following consideration of the dispersion of the materials, through modulating the thickness of the air cavity, we demonstrate that a single resonant peak can shift from 416.1 to 667.3 nm in the band gap at normal incidence by means of the transfer matrix method. The research also shows that the transmittance of the channel can be maximized when the number of periodic LiF/GaSb layers on one side of the air defect layer is equal to that of the other side. When adding a period to both sides respectively, the full width at half maximum of the defect mode is reduced by one order of magnitude. This structure will provide a promising approach to fabricate practical tunable filters in the visible region with ultra-wide tuning range.