光電器件微-納尺度熱輻射特性與調控方法研究.pdf

1、光電器件在生物傳感、太陽能利用、熱光伏等領域具有重要的用途。隨著納米技術的發(fā)展，光電器件趨于集成化和小型化，光電器件中的微/納尺度熱科學問題日益突出，熱輻射特性對光電器件的性能至關重要。在光電器件中存在大量的微/納尺度熱輻射問題亟待解決，比如太陽能的高效利用、熱輻射器的輻射特性調控、熱電利用和航天器熱控等。由于在微/納尺度熱輻射過程中，會產生多種近場效應，如表面等離子激元、微腔效應、磁極化和相干輻射等，無法利用傳統(tǒng)的熱輻射理論來處理光電

2、器件中的微/納尺度熱輻射問題。因此，需要對光電器件中的微/納尺度熱輻射問題進行深入的認識、了解和研究，進一步實現(xiàn)微/納尺度熱輻射特性的調控，為光電器件的設計和應用提供有效的理論指導。本文設計了光電器件微結構表面，揭示了光電器件表面的熱輻射特性調控機理，分析了結構參數(shù)、入射角、偏振態(tài)等對光電器件熱輻射特性的影響，建立了光電器件熱輻射特性調控方法，為高效光電器件的設計及其應用提供了理論指導。具體內容包括以下幾個方面:
　　1.磁極化效

3、應的物理機理研究
　　金屬/介質/金屬光柵結構被廣泛的應用于熱輻射器、發(fā)光二極管、紅外探測器等光電器件中。磁極化效應是發(fā)生在金屬/介質/金屬光柵結構中的一種共振現(xiàn)象，這種共振會產生等方性的微結構表面熱輻射特征，但是其中的物理機理尚存在爭議。我們利用嚴格耦合波方法計算了金屬/介質/金屬光柵結構的輻射特性，同時利用色散關系和等效LC回路分別預測了金屬/介質/金屬光柵結構的共振頻率，并將預測結果和金屬/介質/金屬光柵結構的輻射峰位置進行

4、對比，分析了磁極化效應的物理機理，討論了結構參數(shù)對金屬/介質/金屬光柵結構輻射特性的影響規(guī)律，計算了不同結構尺寸下電磁場在微結構表面中的分布，進一步驗證了磁極化效應的物理機理。
　　2.等方性窄帶輻射器熱輻射特性研究
　　窄帶輻射器是一種在生物工程、傳感器、能源利用領域具有重要用途的光電器件。表面等離子激元、Fabry-Perot共振和微腔效應均可以用來實現(xiàn)窄帶輻射，而等離子激元和Fabry-Perot共振引起的窄帶輻射是角

5、度相關的，微腔效應引起的窄帶輻射在一定角度范圍內是等方性的。目前，微腔效應都是利用金屬腔體微結構表面來實現(xiàn)窄帶輻射特性，實現(xiàn)等方性熱輻射的角度范圍還不夠寬。基于微腔效應，我們提出了一種周期性的微結構表面，用摻雜硅材料代替腔體側壁的金屬材料，實現(xiàn)了等方性的紅外窄帶輻射，通過改變腔體結構的尺寸，可以調整窄帶輻射峰的位置，這種結構表面等方性熱輻射的角度比金屬腔體結構表面更寬。
　　3.等方性鈣鈦礦電池的設計方法研究
　　太陽能電池

6、是能源利用領域的一種重要的光電器件。鈣鈦礦電池作為一種新型的太陽能利用元器件，具有轉換效率高，制作成本低的優(yōu)點，因而備受關注。增加電池的光子捕獲是提高電池效率的前提。為了實現(xiàn)鈣鈦礦電池等方性的強吸收，設計了5種不同的鈣鈦礦電池表面結構，利用時域有限差分方法計算了5種電池表面結構的輻射特性，通過聯(lián)合求解泊松方程、連續(xù)性方程和擴散方程得到電池的電學特性，通過比較5種具有不同表面結構的鈣鈦礦電池的輻射和電學特性，選擇最優(yōu)的結構表面，研究了結構

7、尺寸對電池性能的影響，分析了入射角和偏振對鈣鈦礦電池輻射特性和電學特性的影響規(guī)律，從而建立了等方性鈣鈦礦電池的設計方法。
　　4.光伏-熱電系統(tǒng)的寬光譜等方性熱輻射特性調控方法研究
　　實現(xiàn)寬光譜等方性的輻射特性，對太陽能的全光譜利用具有重要意義，在保證光伏電池工作波段高吸收的前提下，提高紅外波段的透過率，使紅外波段的能量進行熱電利用，可以有效提高光伏-熱電復合系統(tǒng)的能源轉換效率。針對光伏-熱電復合系統(tǒng)，利用蛾眼結構和薄膜的

8、減反特性，設計了寬光譜等方性輻射特性調控的結構表面，建立了寬光譜等方性輻射特性調控的理論模型，利用時域有限差分方法計算了微結構表面的反射率、透射率和吸收率，討論了結構參數(shù)對寬光譜輻射特性的影響，分析了入射角和偏振對寬光譜輻射特性的影響。
　　5.光伏-熱電系統(tǒng)的寬光譜等方性熱輻射特性控制實驗研究
　　針對光伏-熱電復合系統(tǒng)的輻射特性要求，設計了微結構表面，利用等離子刻蝕技術、堿液刻蝕技術和磁控濺射技術制備了微結構表面樣品，利