利用球型微纳米颗粒结构表面减小硅基太阳能电池的光反射

为了在理想的光频范围内扩展硅太阳能电池的低反射特性,设计了一种由球型微纳米颗粒周期排列构成的光学微结构。利用球型微纳米颗粒结构表面良好的抗反射特性,扩展硅基太阳能电池的超低反射特性。首先采用Mie散射理论研究了单个球型硅颗粒的散射特性;进而使用MEEP仿真软件通过控制变量法分析了多个颗粒构成的周期性二维光学微结构的光反射特性,分析了球型微纳米颗粒的周期数、半径、间距对反射率的影响。结果表明:合理选择球形颗粒的半径、间距以及周期数构成合适的周期性二维光学微结构,可以在理想的光频范围内获得超低反射特性。     

基于微纳结构的光学诱饵仿真设计研究

传统的光学诱饵构成复杂，装载要求较高，为此设计了具有较高反射性能的简单微结构的光学诱饵。首先，通过TracePro光学仿真软件，对玻璃微珠结构、截角角锥结构和立方角锥结构三种不同结构进行反射率的仿真，筛选出最符合光学诱饵高反射率要求的结构。然后，通过对不同尺寸单元微结构的反射仿真，确定光学诱饵的单元微结构尺寸。最后，通过对入射角度偏转对反射率影响的仿真，验证反射结构是否满足光学诱饵的要求。结果表明，立方角锥反射结构更符合光学诱饵的设计要求。     

双周期嵌套微结构表面的抗反射特性

为提高红外材料光学表面的抗反射能力,设计了一种具有双周期嵌套式结构抗反射超表面。通过分析在双周期嵌套式结构周围的介电常数变化情况,仿真模拟得到反射率。重点分析了当微纳结构发生变化时这种嵌套结构与单一结构表面抗反射特性的差别。通过改变嵌套结构表面占空比、顶底端直径比以及长径比等参数仿真模拟,对抗反射特性进行分析,最终优化出的结构在2.4~12 m的超宽波长范围内反射率均低于3.5%,在中长波实用波段范围内平均反射率低于1%。这种结构有效地保护了微结构形貌不被破坏,实现了单一结构抗反射特性效果的叠加,进一步降低了元件表面的反射率,可以作为一种新型的减反增透表面应用于红外窗口。     

基于宽禁带氮化物的微腔光频梳进展（特邀）

微腔光频梳在光谱测量、微波光子学、光学原子钟和相干光通信等领域具有重要的应用。宽禁带氮化物半导体材料,如氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）等属于非中心对称晶体,具有二阶和三阶光学非线性系数,宽带的透明窗口以及与蓝宝石衬底较高的折射率差,使其成为研究非线性光子器件的理想平台。文中介绍了氮化物微腔的特性,同时对基于氮化物微腔光梳的相关研究进展,包括AlN微腔中的宽谱光频梳产生和光学参量振荡、GaN微腔中的孤子光频梳产生等进行了介绍和展望。     

相对湿度和粒子形态对海盐气溶胶粒子散射特性的影响

根据海盐粒子在不同相对湿度条件下的不同形态,分别建立了低湿度（RH=0%）、中湿度（RH=50%）和高湿度（RH=95%）三种条件下海盐立方体和球形粒子模型。利用离散偶极子近似法（DDA）、Mie散射理论研究了相对湿度和粒子形态对海盐散射的特性影响,采用离散坐标法（DISORT）研究了相对湿度和粒子形态对海盐特性的影响。结果表明:相对湿度和粒子形态对海盐散射特性影响较大,不同相对湿度条件下,海盐气溶胶粒子由于相态不同,呈现出不同的特性。中湿度条件下,粒子形状因子对海盐散射辐射特性的影响更强。当光学厚度较小时,球形-立方体海盐气溶胶的双向反射分布函数（BRDF）相对差异超过15%,在研究海盐气溶胶散射辐射特性时,需同时考虑相对湿度和粒子形态的影响;当光学厚度较大时,相对差异不超过5%,一定精度范围内,可采用等效球方法进行模拟计算。研究结果对于大气气溶胶散射和辐射传输理论及应用研究具有重要的参考价值。     

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

风成海面激光反射特性分析

为了计算低风速下海面的激光反射特性,采用北海联合海浪计划(JONSWAP)非稳态海谱模型,结合线性滤波方法,将入射激光光斑所覆盖的海面分割为多个微小平面,再采用几何光学方法,对入射到每个微小平面上的光线的反射光进行理论计算,通过仿真,取得了二维风成海面对激光反射的仿真结果.结果表明反射角在镜面反射方向和入射反方向的士30°范围内,反射方位角在风向或者反风向2个方向,海面反射光能量较为集中.     

温度与微结构高度误差对衍射光学元件衍射效率的影响研究

基于衍射光学元件的衍射效率与微结构高度误差的关系,提出了环境温度、微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。研究了环境温度变化对带宽积分平均衍射效率的影响,分析了工作在一定温度范围内时带宽积分平均衍射效率与相对微结构高度误差的关系。对于工作在8~12μm长波红外波段的衍射光学元件,偏离设计波长越远,其衍射效率受温度的影响越大。温度的变化会引起100%衍射效率对应的峰值相对微结构高度误差发生改变。当衍射光学元件的相对微结构高度误差在±15%范围内时,衍射效率在-40℃~80℃的整个温度范围内高于91.89%,带宽积分平均衍射效率在整个温度范围内高于88.58%。     

用于激光防护非逆向反射双层闪耀光栅的研究

提出一种用于激光(工作波长为1064nm)防护的非逆反射双层闪耀光栅。以光栅方程、闪耀波长 和闪耀 角关系公式为基础,研究了双层闪耀光栅光线分布特性,分析了上下微结构闪耀角度关系; 设计了双层闪 耀光栅各特性参数,其上、下层光栅闪耀角分别为50°和6°,周期均为5.2μm,光学元件厚为0.5mm, 在下表面镀Ag反射膜。采用反应离子刻蚀(RIE)技术制作双层闪耀光栅,通过轮廓仪进行测 试。研究结果表明,双层 闪耀光栅的光学特性受微结构形状误差影响较大,当光线垂直照射双层闪耀光栅时,出射光 与入射光形成20°夹角,实现了激光非逆反射的目的。     

光频域反射应用于光通信网络检测的方法探究

光频域作为一门新技术,在高精度测量领域中应用十分广泛.它因具有大动态范围的特点,深深吸引了研究者们的注意.笔者通过研究,总结和归纳自身多年工作经验,针对光频域反射在光通信网络检测中的应用进行分析和探讨,总结了光频域反射的应用意义.希望通过本文的分析能帮助相关单位提高光频域反射应用于光通信网络检测的水平和质量,能更好地应对工作中存在的问题.     

纳秒脉冲激光处理后硅电池光电转换效率研究

为了研究纳秒激光于硅晶片改性的可能性,对飞秒及皮秒激光在SF6气体中与硅表面作用形成锥形微观结构及其作用过程进行了分析。通过在SF6气体氛围中采用6ns激光脉冲辐照硅片表面的方法,以获得硅片表面峰状结构,并对此种作用下微观结构形成过程及结果进行了分析。将激光处理后的硅片与未经激光处理的硅片同时放入到硅电池片生产线的适当工序中制成硅电池片,通过对比测试两种硅电池的光电转换效率,从硅表面状况等因素对实验结果进行了初步分析。结果表明,激光处理后的硅片制成硅电池片的光电转换效率与未经激光处理的相比有一定程度的提高,可达15%～25%。     

Double-layered silicon nitride antireflection coatings for multicrystalline silicon solar cells

Silicon nitride coating possesses both optical antireflection and electrical passivation effects for crystalline silicon solar cells. In this work, we employed a double-layered silicon nitride coating consisting of a top layer with a lower refractive index and a bottom layer (contacting the silicon wafer) with a higher refractive index for multicrystalline silicon solar cells. Double-layered silicon nitride coating provides a lower optical reflection and better surface passivation than those of single-layered silicon nitride. Details for optimizing the double-layered silicon nitride coating are presented. In order to get statistical conclusions, we fabricated a large number of multicrystalline silicon solar cells using the production line for both the double-layered and single-layered cell types. It was statistically demonstrated that the double-layered silicon nitride coating provided a consistent enhancement in the photovoltaic performance of multicrystalline silicon solar cells over those of the single-layered silicon nitride coating.     

Visualization of Photoexcited Carrier Responses in a Solar Cell Using Optical Pump—Terahertz Emission Probe Technique

We observed photoexcited carrier responses in solar cells excited by femtosecond laser pulses with spatial and temporal resolution using an optical pump-terahertz emission probe technique. We visualized the ultrafast local variation of the intensity of terahertz emission from a polycrystalline silicon solar cell using this technique and clearly observed the change in signals between a grain boundary and the inside of a grain in the solar cell. Further, the time evolution of the pump–probe signals of the polycrystalline and monocrystalline silicon solar cells was observed, and the relaxation times of photoexcited carriers in the emitter layers of crystalline silicon solar cells were estimated using this technique. The estimated relaxation time was consistent with the lifetime of the Auger recombination process that was dominant in heavily doped silicon used as an emitter layer for the silicon solar cells, which is difficult to obtain with photoluminescence method commonly used for the evaluation of solar cells.     

a-Si/μc-Si叠层电池中间层材料SiO_x:H制备研究

为提高a-Si/μc-Si叠层太阳电池的效率,采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,制备了系列n型掺磷硅氧(SiOx:H)薄膜作为中间层,研究了CO2/Si H4气体流量比、沉积功率和PH3掺杂浓度等工艺参数对材料光电特性的影响,获得了折射率、电导率和禁带宽度能够在较大范围内调控的SiOx:H薄膜。     

Absorption coefficient of silicon for solar cell calculations

The optical absorption coefficient is an important parameter in calculating the performance characteristics of solar cells. For silicon solar cells it is desirable to know the absorption coefficient over the range of 1.1–4.0 eV and over a wide range of temperature, particularly when evaluating the concentration type systems. An analytical (empirical) expression has been developed for this purpose. We have interpreted the available experimental data in terms of three bands of silicon. With our fit, the experimental data can be explained to within an accuracy of 20% and its validity extends from 1.1 to 4.0 eV and over the temperature range of 20–500°K.     

Optical properties of thin‐film silicon solar cells with grating couplers

The effect of grating couplers on the optical properties of silicon thin‐film solar cells was studied by a comparison of experimental results with numerical simulations. The thin‐film solar cells studied are based on microcrystalline silicon (μc‐Si:H) absorber layers of thickness in the micrometer range. To investigate the light propagation in these cells, especially in the red wavelength region, three‐dimensional power loss profiles are simulated. The influence of different grating parametres—such as period size, groove height, and shape of the grating—was studied to gain more insight into the light propagation within thin‐film silicon solar cells and to determine an optimized light trapping scheme. The effect of the TCO front and TCO back side layer thickness was investigated. The calculated quantum efficiencies and short‐circuit current densities are in good agreement with the experimental data. The simulations predict further optimization criteria. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

双光栅结构薄膜太阳能电池的优化

为了提高单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和转换效率, 采用在单晶硅薄膜太阳能电池正背面分别集成硅介质光栅和铝金属光栅的方法, 并利用有限时域差分法软件仿真研究了两种光栅的周期、厚度、占空比对单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和光转换效率的影响。结果表明, 通过优化可得当正背面光栅都处于最优值时(介质光栅占空比F=0.8、介质光栅周期P=0.632μm、介质光栅厚度h_g=0.42μm; 金属光栅占空比F₁=0.9、金属光栅周期P=0.632μm、金属光栅厚度h_m=0.005μm), 短路电流密度可达35.15mA/cm2, 转换效率为43.35%;将最优光栅单晶硅薄膜太阳能电池与传统单晶硅薄膜太阳能电池对比, 无论是光程路径还是吸收效率, 光栅单晶硅薄膜太阳能电池都有显著的提高。这为以后制备高性能薄膜太阳能电池提供了理论指导。     

Light‐trapping and back surface structures for polycrystalline silicon solar cells

Light‐trapping in polycrystalline silicon solar cells is usually considered to be more difficult to implement than that in single crystal silicon solar cells due to the random crystallographic orientations in various grains. Furthermore, if minority carrier diffusion length is on the order of or less than solar cell thickness, which is the case of most cost‐effective polycrystalline silicon, the translation of optical gain, achieved from light‐trapping, into electrical gain will be rather limited, even with a perfect back surface passivation. In this work, geometrical light‐trapping structures are demonstrated using a simplified isotropic etching at polycrystalline silicon surfaces. Combined with a back surface reflector (BSR), an enhanced absorption in the long wavelength region is measured with a low parasitic absorption. Different light‐trapping structures are experimentally compared. To further examine the electrical gain from light‐trapping, a three‐terminal solar cell structure is used. This structure allows three different back surface configurations to be realized in a single device: unpassivated, passivated with a floating junction, and enhanced with a collecting junction. Results indicate that even with a relatively short minority‐carrier diffusion length the current collection in the long wavelength region can be significantly improved and the light‐trapping effect is enhanced as well. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

硅薄膜太阳电池抗反射微纳结构研究

在硅薄膜太阳电池中,灵活的光学设计可以实现表层的零反射损耗,增大吸收层中光的透射率,从而提高薄膜太阳电池的光收集能力。在薄膜太阳电池吸收层表面设计了矩形介质光栅。利用严格耦合波理论和模态传输理论研究了光栅结构参数对反射率的影响。考虑到AM1.5 G太阳能光谱和a-Si的吸收光谱,光栅参数进一步优化。由于微加工的误差,使得矩形光栅变成梯形光栅,必然会影响硅薄膜太阳电池表面反射率。研究结果表明,长周期光栅同样可以实现低反射率,在工艺上也容易实现。采用梯形光栅可进一步降低表面反射率,并且在太阳光入射角为-40°~+40°的范围内保持在6%以下。