Optical absorbers based on strong interference in ultra-thin films
光学吸收剂在电磁波谱的广泛应用中找到用途，包括光伏和光化学电池、光电探测器、滤光器、隐形技术和热光源。最近的努力试图通过使用等离子体、超材料和超表面的新兴概念来减少传统上基于梯度结构或法布里-珀罗型腔的光学吸收器的占用空间。不幸的是，这些新的吸收体设计需要在亚波长长度尺度上图案化，因此对于许多大规模光学和光电子器件是不切实际的。本文综述了近年来基于损耗薄膜的光吸收材料的研究进展，损耗薄膜的厚度远小于入射光波长。这些结构具有小的占地面积并且不需要纳米级图案化。我们概述了这些吸收剂的理论基础的基础上“超薄薄膜干涉”，包括损耗引起的相移和临界耦合的概念，然后提出了几个应用，包括超薄彩色涂层，装饰photoproteics，高效光化学电池，和红外场景发生器。
2016-06-17 physics.optics
Ultrafast photocurrent detection reveals that device efficiency is dominated by ultrafast exciton dissociation not exciton diffusion
University of Wisconsin - Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究通过超快光电流检测发现，器件效率主要由超快激子解离而非扩散主导，挑战了传统光吸收检测的结论。
2025-06-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Evanescent straight tapered-fiber coupling of ultra-high Q optomechanical micro-resonators in a low-vibration helium-4 exchange-gas cryostat
我们研制了一种装置，在氦-4低温恒温器中使用1550 nm波长的直锥形光纤耦合50微米直径的回音壁二氧化硅微环形谐振器。在专门用于提高机械稳定性的顶部加载探头上，我们使用专门开发的“低温切片机”对腔体进行光学探测，从而记录低温下光机系统的校准机械光谱。然后，我们展示了一个63 MHz的环形谐振器的机械模式下到低温恒温器的基础温度为1.65 K，从而证明了通过静态低压交换气体的热传导的低温制冷的可行性。因此，在光机械方面，我们提供了一种功能强大的多功能工具，在光耦合效率、机械稳定性和低温冷却方面具有最先进的性能。
2013-05-20 physics.ins-det physics.optics
High-Temperature Ultra-Broad UV-MIR High-Efficiency Absorber Based on Double Ring-Shaped Titanium Nitride Resonators
提出了一种基于双环形氮化钛（TiN）纳米谐振器的高温超宽带吸收体，并对其进行了数值研究。在优化的工艺参数下，在200 - 4000 nm（紫外-中红外）范围内的平均吸收率为94.6%，在200 - 3518 nm范围内的吸收率> 90%。我们已经详细展示了超宽吸收的物理机制，包括TiN材料本身在较短波长下的介电损耗特性和TiN纳米谐振器在较长波长下的金属特性引起的等离子体共振。此外，该吸收体具有偏振无关性和广角接收性。另一种具有不同高度的双TiN纳米环的吸收体在200-2860 nm波段具有更平坦和更高的吸收效率（超过95%的吸收）。这些特性使得TiN基吸收体在光捕获、光致发光、热发射等方面具有很大的应用潜力。
2020-10-03 physics.optics
Optical Brewster metasurfaces exhibiting ultra-broadband reflectionless absorption and extreme angular-asymmetry
自由空间与吸收材料之间的阻抗失配是实现高效光吸收的一个基本问题。在这项工作中，我们设计并数值模拟了一种非共振阻抗匹配光学超颖表面，表现出超宽带无反射吸收的基础上的反常布鲁斯特效应，这是捐赠的光学布鲁斯特超颖表面在这里。有趣的是，这种布鲁斯特超颖表面表现出一种独特的极端角度不对称性：当入射角的符号改变时，会出现完全透明和完全吸收之间的过渡。这一现象的产生源于传统布儒斯特效应与反常布儒斯特效应的共存。提出了基于有效介质描述的材料选择准则和诸如金属背反射器或折叠超颖表面的集成策略，以提高吸收性能。最后，一个梯度光学布鲁斯特超表面表现出超宽带和近全向无反射吸收。这种高效率的非对称光学超颖表面可以应用于光电和热器件，如光电探测器、热发射器和光电转换器。
2021-08-06 physics.optics
Impermeable Inorganic Walls Sandwiching Photoactive Layer toward Inverted Perovskite Solar and Indoor-Photovoltaic Devices
钙钛矿活性层和电荷传输层（CTL）之间的界面在卤化物-钙钛矿光致发光材料的效率和稳定性两者中起关键作用。其中一个主要的问题是，钙钛矿的表面缺陷可能会导致有害的非辐射复合和材料降解。在这项工作中，我们通过在三阳离子碘化铅钙钛矿层和两个CTL之间插入碱土金属氟化物（AF）膜来解决这个具有挑战性的问题。这种双侧无机壁策略利用了连续、均匀和紧凑的AF框架的物理阻挡和化学锚定功能：一方面，钙钛矿-AF界面均匀分布的碱碘配位有效抑制了整个钙钛矿薄膜表面和晶界碘空位缺陷的形成，从而减少了在钙钛矿-CTL界面处的陷阱辅助复合以及由此的开路电压损失;另一方面，即使在苛刻的工作条件下，不可渗透的AF缓冲层也有效地防止了在钙钛矿-CTL界面处的双向离子迁移。结果表明，低温处理的倒置平面钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）为22.02%（认证效率20.4%），开路电压赤字（< 0.4V）较低。获得了优异的操作稳定性（500 h，ISO-L-2）和热稳定性（1000 h，ISO-D-2）。同时，使用优化的装置在昏暗光源（1000勒克斯白光LED光）下获得35.7%的PCE，这是钙钛矿室内光致发光的最佳记录之一。
2020-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Embedded metal nanopatterns for near-field scattering-enhanced optical absorption
嵌入薄光伏吸收体中的金属纳米粒子的模拟显示出半导体内显著增强的吸收率，对于λ = 800 nm增加超过300%。与AM 1.5太阳辐射集成，这在60 nm的非晶硅膜中产生了70%的模拟短路电流密度增加。将这种金属图案嵌入吸收体内部最大限度地利用了增强的电场，该增强的电场是由图案附近的强烈的、空间组织的近场散射产生的。适当地配置（即，具有薄绝缘涂层），该光学超介质架构可用于增加薄膜太阳能电池中的光伏效率，包括提供现实的超热电子电池的前景。
2012-08-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Broadband Light Harvesting from Scalable Two-Dimensional Semiconductor Heterostructures
本文提出基于单层TMDCs的无图案平面半导体薄膜宽带吸收体，以超薄、可大面积气相生长材料实现可见光平均吸收逾70%，并预测光伏PCE达15.54%、比功率超过300 W g^-1。
2024-07-06 physics.optics
Amorphous Silicon Solar cells with a Core-Shell Nanograting Structure
本文系统地研究了基于核-壳纳米光栅结构的非晶硅太阳能电池的光学行为。水平传播的布洛赫波和表面等离子体激元（SPP）波导致显着的吸收增强，从而短路电流的增强，这种结构相比，传统的平面。垂直载流子收集使得该结构光学上厚而电子上薄。通过全场数值模拟实现了优化设计，并给出了物理解释。数值计算结果表明，这种结构具有超宽带、全向和偏振不敏感的响应特性，在光子晶体学中具有很大的应用潜力。
2011-10-25 physics.optics
Micro-optical Tandem Luminescent Solar Concentrators
传统的聚光光伏（CPV）系统利用多结电池来最小化热化损失，但不能有效地捕获漫射太阳光，这导致高的平准化能量成本（LCOE），并限制了它们在具有高直射太阳光日照的地理区域的使用。发光太阳能集中器（LSC）利用嵌入光捕获波导中的发光体产生的光，将光集中到较小的电池上。LSC可以吸收直射和漫射太阳光，因此可以作为平板接收器以固定的倾斜度和传统的模块形状因子操作。然而，当前的LSC通过寄生发光体吸收和光波导的不完全光捕获而经历显著的功率损耗。在这里，我们介绍了一种串联LSC器件架构，克服了这两个限制，由PLMA聚合物层与嵌入的CdSe/CdS量子点（QD）发光体和InGaP微电池，作为一个高带隙吸收器上的传统的硅光伏。我们实验合成了具有极高量子产率（99%）和超窄带发射的CdSe/CdS量子点，与制造的III-V族InGaP微电池最佳匹配。使用蒙特卡罗射线跟踪模型，我们显示了具有这些组件的模块的辐射极限功率转换效率为30.8%漫射阳光条件。这些结果表明，串联的硅上LSC-on-Si架构可以显著提高传统硅光伏模块的效率，简单而直接地改变硅光伏工艺过程的模块层压步骤，并有望在不同的地理区域和能源市场上广泛部署模块。
2017-09-05 physics.app-ph physics.optics
Impact of built-in fields and contact configuration on the characteristics of ultra-thin GaAs solar cells
讨论了内建场和接触结构对GaAs太阳电池光伏特性的影响。调查是基于先进的量子动力学模拟达到超越标准的半经典体图片有关的考虑载流子状态和动态复杂的潜在配置文件。在超尺度制度中的暗电流和光电流的厚度依赖性与两者的相应变化、内建电场和相关联的态密度的修改以及膜中的光强度有关。开路电压和短路电流的损失，由于电子和光学注入的载流子在少数载流子接触泄漏的影响，包括电子和空穴阻挡层的不同的接触配置。的泄漏电流的微观图片连接到有限的表面复合速度的效果在半经典的描述，和这些非经典的接触区域对载流子的产生和提取的影响进行了分析。
2016-06-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Implementing strong interference in ultrathin film top absorbers for tandem solar cells
金属背反射器上的反射膜半导体吸收体中的强干涉已被证明可以提高太阳能电池材料的光捕获效率。然而，金属背反射器不适用于串联电池配置，因为光子不能通过该装置传输。在这里，我们介绍了一种方法，通过使用分布式布拉格反射器（DBR）在串联电池配置中的薄膜顶部吸收器中实现强干涉。我们通过设计和制造光电化学光伏（PEC-PV）堆叠的串联电池来展示这一点，其中短波长的光子被反射回光阳极材料（赤铁矿，Fe 2 O3），而长波长的光子被传输到底部的硅光伏电池。我们采用光学模拟，以确定DBR层的最佳厚度和V形角，以最大限度地提高光吸收的纳米（10纳米厚）的赤铁矿膜。DBR光谱响应可以被定制以允许与透明集电器上的相同厚度的层相比吸收光子的三倍以上的增强。使用DBR耦合底部的硅光伏电池与顶部的铁赤铁矿PEC电池，我们证明了无辅助太阳能水分裂，并表明DBR可以设计为增强强干扰，同时使堆叠的串联电池配置的薄膜。
2020-12-08 physics.app-ph physics.optics
Broadband absorption enhancement in ultra-thin crystalline Si solar cells by incorporating metallic and dielectric nanostructures in the back reflector
我们提出了一个背反射方案，以提高在一微米厚的晶体硅太阳能电池的最大可实现的电流。我们进行三维数值研究的散射特性的金属纳米结构位于背面，并优化它们，以提高在硅层的吸收。我们通过实验验证了我们的数值结果，并比较了准周期和随机金属纳米结构的太阳能电池结构中的吸收增强。我们已经研究了金属纳米结构和集成背反射器之间的相互作用。我们发现，金属纳米粒子和金属反射器的组合导致显着的寄生吸收。我们将其与另一种基于二氧化钛纳米颗粒的实现进行了比较，二氧化钛纳米颗粒充当了光的朗伯反射器。我们的模拟和实验结果表明，这种结构的结果在减少吸收损耗和宽带增强的吸收超薄太阳能电池，铺平了道路，以最佳的背反射器的薄膜光电子学。
2013-06-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Designing Planar, Ultra-Thin, Broad-Band and Material-Versatile Solar Absorbers via Bound-Electron and Exciton Absorption
超薄平面吸收层，包括半导体和金属膜，以及2D材料，是用于太阳能收集装置的有前途的构建块，但是差的光吸收一直是关键问题。虽然已经研究了在特定波长处实现接近完美吸收的吸收层中的干涉，但是实现高宽带吸收仍然具有挑战性。在这里，我们从理论上和实验上证明了一种方法，不仅调整反射相移，而且电磁能量耗散设计宽带太阳能吸收器与简单的平面结构组成的吸收层从金属基板由透明层分离。通过推导一个新的公式，我们明确地确定了具有与波长成比例的折射率以及与波长无关的消光系数的吸收材料是创建双平面宽带吸收体的理想构建块。为了证明天然吸收材料在高损耗和低损耗两种情况下的一般策略，（难熔金属）和弱吸收（二维材料）制度，我们利用具有宽洛伦兹振荡器峰的束缚电子带间跃迁来设计基于Cr2 O3 Cr层的太阳能热吸收器;并且利用了归因于带边缘附近的光谱的自旋-轨道耦合的强激子，以及较短波长的束缚电子带间跃迁，设计一种基于原子级薄的MoS 2层的太阳能光伏吸收器。此外，我们设计的具有平面结构的宽带太阳能吸收器与具有纳米粒子的吸收器相比具有相当的吸收性能。我们提出的设计策略为新型纳米厚能量收集和具有简单平面结构的光电子器件铺平了道路。
2018-05-28 physics.app-ph physics.optics
Numerical exploration on unveiling the photovoltaic potential of MgXS3(X = Ti, Zr, Hf) chalcogenide perovskites
University of Rajshahi（拉杰沙希大学）；First Capital University of Bangladesh（孟加拉第一首都大学）
研究无铅硫族钙钛矿MgXS3（X = Ti、Zr、Hf）在太阳能电池中的光伏潜力，通过3D有限元模拟分析其器件性能，研究多种因素影响，给出优化条件下不同成分器件的性能数据，证实其为有前景的无铅吸收材料并提供设计指导。
2026-07-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Breaking the angular dispersion limit in thin film optics by ultra-strong light-matter coupling
本研究提出利用超强耦合微腔中的激子-极化激元模式打破薄膜光学的角色散极限，实现了在极端角度下偏移极小的窄带滤波器，并拓展至高透射率与柔性集成应用。
2024-11-13 cond-mat.soft physics.optics
Visible-frequency metasurfaces for broadband anomalous reflection and high-efficiency spectrum splitting
超薄超颖表面最近已成为有前途的材料，使新颖的，平面的光学元件和表面限制，微型光子器件。然而，由于高等离子体激元损耗和高均匀性纳米纤维的困难，在可见频率下实验实现高性能超颖表面一直是一个重大挑战。在这里，我们提出了一种高效而简单的元表面设计，包括单个梯度天线作为单元格。我们展示了可见宽带（450 - 850 nm）的异常反射和光谱分裂与85%的转换效率。异常反射与最强衍射的平均功率比计算为~ 103，测量为~ 10。异常反射光子和光谱分裂性能已经可视化使用CCD和特征使用角分辨测量装置。这里提出的超表面设计与利用多个各向异性谐振器的常规超表面明显不同，并且可以实现用于实现定向发射器的高效率宽带超表面、用于光谱学和光电学的偏振/光谱分离表面。
2014-10-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
The critical role of substrates in mitigating the power-efficiency trade-off in near-field thermophotovoltaics
该研究通过衬底工程和梯度优化，利用与等离激元发射体共振匹配的薄无损金属薄膜，在保持高效率的同时将近场热光伏辐射功率密度提升一个数量级以上。
2025-09-19 physics.app-ph physics.optics
