典型微结构光谱辐射调控特性及应用

论文摘要

当物体尺寸与电磁波波长相当时,由于相互耦合作用,会出现一些新的电磁效应,如表面等离子体激元、微腔谐振效应和光学禁带效应。基于以上电磁效应,可对典型微结构光谱辐射特性进行调控。本文以典型微结构为研究对象,建立适合微尺度下光谱辐射传输的数值模型,分析了微结构辐射特性的影响因素,研究结果可为热光伏系统的热辐射传输特性光谱调控提供理论依据,有重要的理论和实际意义。具体内容包括:（1）以无损耗媒质中传播的TM波为例,分析了FDTD计算中的数值色散问题,建立了钨的洛伦兹-德鲁德色散模型和硅的赛米尔迈耶尔色散模型。（2）建立了表面光栅结构表面等离子体色散关系,分析了微腔谐振效应和光学禁带特性对微结构辐射特性的影响。基于表面等离子体激元和微腔谐振效应,优化设计与GaSb热光伏电池相匹配的微结构热辐射器,结果显示复合光栅和微腔孔阵列结构在光谱响应波段内具有更优异的发射特性。从光学禁带特性出发,设计了一种一维Si/SiO2光子晶体滤波器,并使用FDTD计算了其透射特性。（3）研究了微结构光谱调控特性用于改善太阳能电池陷光能力,获得了具有不同微结构的太阳能电池储能特性,分析了锥形陷光微结构对硅太阳能电池的减反射能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 微结构辐射特性研究方法
• 1.2.1 微结构电磁效应研究现状
• 1.2.2 数值算法研究现状
• 1.3 微结构辐射特性调控应用研究
• 1.3.1 微结构热辐射器
• 1.3.2 光子晶体滤波器
• 1.3.3 陷光结构电池
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 微结构辐射特性研究理论和数值模型
• 2.1 电磁学理论基础
• 2.1.1 标量形式麦克斯韦方程组
• 2.1.2 二维麦克斯韦方程组
• 2.2 时域有限差分法（FDTD）
• 2.2.1 Yee网格单元
• 2.2.2 时变参数中心差分近似
• 2.2.3 二维 FDTD 离散方程
• 2.3 FDTD计算中的色散问题
• 2.3.1 数值色散
• 2.3.2 媒质色散特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 微结构电磁效应及在TPV中光谱调控分析
• 3.1 引言
• 3.2 微结构辐射器光谱调控
• 3.2.1 表面等离子体激元
• 3.2.2 微腔谐振效应
• 3.2.3 结构参数对辐射特性的影响
• 3.2.4 复合光栅光谱特性
• 3.2.5 二维周期性微结构光谱特性
• 3.3 光子晶体滤波器光谱调控
• 3.4 本章小结
• 第4章 微结构对电池光谱辐射特性的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 硅材料色散特性
• 4.3 电池储能曲线计算
• 4.3.1 电磁场能量密度计算
• 4.3.2 光源加载
• 4.3.3 光栅结构电池储能曲线
• 4.4 锥形微结构优化
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间撰写的论文
• 致谢