光電器件微-納尺度熱輻射特性與調(diào)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(lǐng)域具有重要的用途。隨著納米技術(shù)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(xué)問題日益突出，熱輻射特性對光電器件的性能至關(guān)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(diào)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(chǎn)生多種近場效應(yīng)，如表面等離子激元、微腔效應(yīng)、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(jìn)行深入的認(rèn)識、了解和研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微/納尺度熱輻射特性的調(diào)控，為光電器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有效的理論指導(dǎo)。本文設(shè)計(jì)了光電器件微結(jié)構(gòu)表面，揭示了光電器件表面的熱輻射特性調(diào)控機(jī)理，分析了結(jié)構(gòu)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(diào)控方法，為高效光電器件的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.磁極化效

3、應(yīng)的物理機(jī)理研究
　　金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)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(yīng)是發(fā)生在金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)中的一種共振現(xiàn)象，這種共振會產(chǎn)生等方性的微結(jié)構(gòu)表面熱輻射特征，但是其中的物理機(jī)理尚存在爭議。我們利用嚴(yán)格耦合波方法計(jì)算了金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)的輻射特性，同時利用色散關(guān)系和等效LC回路分別預(yù)測了金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)的共振頻率，并將預(yù)測結(jié)果和金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)的輻射峰位置進(jìn)行

4、對比，分析了磁極化效應(yīng)的物理機(jī)理，討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對金屬/介質(zhì)/金屬光柵結(jié)構(gòu)輻射特性的影響規(guī)律，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)尺寸下電磁場在微結(jié)構(gòu)表面中的分布，進(jìn)一步驗(yàn)證了磁極化效應(yīng)的物理機(jī)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(lǐng)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(yīng)均可以用來實(shí)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(guān)的，微腔效應(yīng)引起的窄帶輻射在一定角度范圍內(nèi)是等方性的。目前，微腔效應(yīng)都是利用金屬腔體微結(jié)構(gòu)表面來實(shí)現(xiàn)窄帶輻射特性，實(shí)現(xiàn)等方性熱輻射的角度范圍還不夠?qū)?。基于微腔效?yīng)，我們提出了一種周期性的微結(jié)構(gòu)表面，用摻雜硅材料代替腔體側(cè)壁的金屬材料，實(shí)現(xiàn)了等方性的紅外窄帶輻射，通過改變腔體結(jié)構(gòu)的尺寸，可以調(diào)整窄帶輻射峰的位置，這種結(jié)構(gòu)表面等方性熱輻射的角度比金屬腔體結(jié)構(gòu)表面更寬。
　　3.等方性鈣鈦礦電池的設(shè)計(jì)方法研究
　　太陽能電池

6、是能源利用領(lǐng)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(zhuǎn)換效率高，制作成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而備受關(guān)注。增加電池的光子捕獲是提高電池效率的前提。為了實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池等方性的強(qiáng)吸收，設(shè)計(jì)了5種不同的鈣鈦礦電池表面結(jié)構(gòu)，利用時域有限差分方法計(jì)算了5種電池表面結(jié)構(gòu)的輻射特性，通過聯(lián)合求解泊松方程、連續(xù)性方程和擴(kuò)散方程得到電池的電學(xué)特性，通過比較5種具有不同表面結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池的輻射和電學(xué)特性，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)表面，研究了結(jié)構(gòu)

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(xué)特性的影響規(guī)律，從而建立了等方性鈣鈦礦電池的設(shè)計(jì)方法。
　　4.光伏-熱電系統(tǒng)的寬光譜等方性熱輻射特性調(diào)控方法研究
　　實(shí)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(jìn)行熱電利用，可以有效提高光伏-熱電復(fù)合系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率。針對光伏-熱電復(fù)合系統(tǒng)，利用蛾眼結(jié)構(gòu)和薄膜的

8、減反特性，設(shè)計(jì)了寬光譜等方性輻射特性調(diào)控的結(jié)構(gòu)表面，建立了寬光譜等方性輻射特性調(diào)控的理論模型，利用時域有限差分方法計(jì)算了微結(jié)構(gòu)表面的反射率、透射率和吸收率，討論了結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)研究
　　針對光伏-熱電復(fù)合系統(tǒng)的輻射特性要求，設(shè)計(jì)了微結(jié)構(gòu)表面，利用等離子刻蝕技術(shù)、堿液刻蝕技術(shù)和磁控濺射技術(shù)制備了微結(jié)構(gòu)表面樣品，利