1.2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1　表面微結(jié)構(gòu)在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用

如今，通過構(gòu)造一維、二維以及三維微納米結(jié)構(gòu)來改變表面的反射和發(fā)射特性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到許多能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，如波長選擇性吸收器和發(fā)射器［6，8-9，22-26］。

2000年，Heinzel等入［6］利用嚴(yán)格耦合波分析法研究了二維周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)的選擇性輻射特性；研究表明二維鎢光柵能夠通過激發(fā)表面等離子體波來調(diào)控光譜發(fā)射特性，其為波長選擇性發(fā)射器和濾波器的發(fā)展提供了新思路。2001年，Maruyama等人［22］利用微加工技術(shù)制造出高填充比的二維硅材料微腔陣列結(jié)構(gòu)，且在其上覆蓋了一層鉻薄膜；并用數(shù)值模擬和實(shí)驗測量相結(jié)合，研究了此結(jié)構(gòu)的光譜輻射特性以及角度依賴和偏振特性；研究表明此結(jié)構(gòu)能夠獲得較好的選擇輻射特性，并且其發(fā)射率的增大是由于激發(fā)了空腔諧振效應(yīng)。2001年，Sai等人［23］對二維周期性鎢材料深微腔結(jié)構(gòu)的輻射特性進(jìn)行了研究；研究表明此結(jié)構(gòu)作為熱光伏輻射器能夠通過激發(fā)空腔諧振效應(yīng)在特定波長得到很高的發(fā)射率，并且可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控光譜輻射特性。2003年，Lin等人［24］利用實(shí)驗方法構(gòu)造出三維鎢材料光子晶體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在近紅外波長范圍內(nèi)具有較高的吸收發(fā)射特性；基于其較好的發(fā)射特性，此結(jié)構(gòu)適用于熱光伏發(fā)電裝置，并且采用了此種三維鎢材料光子晶體結(jié)構(gòu)的熱光伏發(fā)電裝置的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)34%。2004年，Narayanaswamy等人［8］研究了一維金屬—介質(zhì)周期性結(jié)構(gòu)的熱輻射特性；研究表明這種簡單的一維鎢薄膜光子晶體結(jié)構(gòu)在紅外和可見光范圍內(nèi)呈現(xiàn)出了較好的類似于三維光子晶體的選擇發(fā)射特性；所以其在熱光伏裝置以及選擇性發(fā)射裝置方面有廣闊的應(yīng)用前景。2007年，Popov等人［9］利用差分法模擬了光照射到不同結(jié)構(gòu)表面的衍射情況，并比較了一維金屬淺光柵、一維金屬深光柵、二維金屬淺光柵以及二維金屬深光柵的表面等離子波；研究表明表面等離子波能引起光柵表面附近局域場的明顯增大。2011年，Huang等人［25］設(shè)計了應(yīng)用于熱光伏裝置中的二維Ag微腔陣列窄帶輻射器，并借助于時域有限差分法數(shù)值模擬了各結(jié)構(gòu)參數(shù)、入射角以及方位角等對表面輻射特性的影響；結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)通過激發(fā)表面等離子體激元和空腔諧振效應(yīng)使吸收率得到明顯提高。

1.2.2　周期性表面微結(jié)構(gòu)在太陽能電池中的應(yīng)用

近年來，周期性微結(jié)構(gòu)作為太陽能電池吸收表面也得到了越來越多的關(guān)注和研究［27-40］。此方面的研究主要是在太陽能電池表面構(gòu)造周期性微結(jié)構(gòu)來提高其在可見光及近紅外波長范圍內(nèi)對太陽光的吸收特性。

2007年，Hu等人［27］提出了利用硅納米線陣列結(jié)構(gòu)作為光伏電池吸收表面，并利用傳遞矩陣法模擬了納米線直徑、長度以及填充比對吸收率的影響；結(jié)果表明具有適當(dāng)填充比的納米線陣列結(jié)構(gòu)在可見光及近紅外波長范圍內(nèi)能夠得到比薄膜結(jié)構(gòu)更低的反射率，因此納米線陣列結(jié)構(gòu)可以作為非常理想的太陽能電池吸收表面。2009年，Rockstuhl等人［31］研究了金屬納米圓盤結(jié)構(gòu)作為薄膜多晶硅太陽能電池吸收表面的輻射特性；研究表明金屬納米圓盤結(jié)構(gòu)能夠通過激發(fā)局部等離子體激元來提高太陽能電池表面對太陽光的吸收率，因此構(gòu)造金屬納米圓盤結(jié)構(gòu)是一個非常好的提高太陽能電池效率的方法。2009年，黎慧華等人［32］提出在硅基薄膜太陽能電池底部引入一種疊層光柵結(jié)構(gòu)以提高太陽能電池底部對光的反射，并利用模式傳輸線理論和嚴(yán)格耦合波分析法對此結(jié)構(gòu)的輻射特性進(jìn)行數(shù)值計算；研究表明此疊層結(jié)構(gòu)對光的反射率高達(dá)99.95%。2010年，吳奉炳等人［34］提出了兩種應(yīng)用于太陽能電池表面的陷光結(jié)構(gòu)，分別是矩形光柵陷光結(jié)構(gòu)和三角形光柵陷光結(jié)構(gòu)，并對這兩種結(jié)構(gòu)在可見光和近紅外波段范圍內(nèi)的輻射特性進(jìn)行了研究；結(jié)果表明這兩種陷光結(jié)構(gòu)都能夠很好地提高太陽能電池表面對太陽光的吸收率以及短路電流，從而提高太陽能電池的整體轉(zhuǎn)換效率。2011年，陳健等人［35］在硅薄膜太陽電池吸收表面構(gòu)造出矩形介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)，并用嚴(yán)格耦合波分析法研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對表面反射率的影響；結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)能夠降低太陽能電池表面對太陽光的反射率，提高硅基薄膜太陽電池對太陽光的吸收能力。2011年，Chang［36］等人提出具備梯度折射率的納米結(jié)構(gòu)，并對其光學(xué)特性做了實(shí)驗測量和數(shù)值模擬；結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)的反射損失接近零，因此這種梯度折射率的納米結(jié)構(gòu)可以用作太陽能電池表面以增強(qiáng)表面對太陽光的吸收。2011年，Leem等人［37］利用再沉積法在硅基太陽能電池的摻鋁氧化鋅薄膜表面構(gòu)造出了拋物線形的亞波長光柵結(jié)構(gòu)，并利用嚴(yán)格耦合波分析法對此結(jié)構(gòu)的表面輻射特性做了研究；結(jié)果表明相比于單純的薄膜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能夠非常明顯地抑制表面反射，從而提高太陽能電池表面對太陽光的吸收特性。2012年，Yang等人［38］提出在一個周期內(nèi)包含三個不同背脊高度的一維復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)，并利用時域有限差分法對此結(jié)構(gòu)在不同入射角和不同溫度下的輻射特性做了研究；結(jié)果表明此一維復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)在整個計算波段內(nèi)的吸收率高達(dá)85%，并且包含此結(jié)構(gòu)的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)27.9%。2012年，Wang［39］等人利用有效介質(zhì)理論研究了硅基太陽能電池表面納米線結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，并分析了納米線結(jié)構(gòu)的填充比、線長等結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸收特性的影響；研究表明納米線結(jié)構(gòu)作為太陽能電池吸收表面能夠提高對太陽光的吸收能力。2013年，Cheng等人［40］提出由多個凹槽深度（或背脊高度）不同的一維簡單光柵疊加而成的一維復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)作為太陽能電池吸收表面，并采用嚴(yán)格耦合波分析法研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)、入射角以及偏振角對光柵吸收率的影響，同時采用田口法對此一維復(fù)雜光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了一種在垂直光照下吸收率高達(dá)0.94的一維復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)。