论文部分内容阅读
随着理论研究的不断深入和现代微加工技术的飞速进步，光子学经历着前所未有的发展，产生了许多新的交叉学科和新兴研究方向，纳米光子学即为产物之一。其主要研究光与物质在微纳米尺度下的相互作用规律及其在光的产生、光谱调控、传输、传感和探测等方面的应用。本文针对汽车尾气能量巨大，造成环境热污染严重等时事问题，以尾气余热TPV发电为研究背景，结合已报道光伏电池的响应范围及效率，选用了禁带波长3.2μm的InAsSbP/InAs型PV电池为研究对象。设计了与该PV电池匹配的滤波器和选择辐射器，实现了TPV系统的光谱调控。依据电磁学理论设计了一维（LH）4型Si-SiO2光子晶体滤波器，仿真结果显示：结构在3.26.2μm波段形成高反射带，1.593.2μm则是高透射带，其能实现所选PV电池的光谱调控。但高通带内振荡波峰多、反射峰值较高，针对此类问题，依据反射层原理和介质层的等效折射率理论优化设计出L/2H（LH）3和1.12（L/2HL/2）（L/2HL/2）21.16（L/2HL/2）型滤波器，实现通带内振荡峰及反射峰值的大幅下降，大大提高了滤波器性能。分析了各参数对光谱调控的影响，为实际加工应用提供参考。用磁控溅射技术制备样品进行实验，实验结果与理论仿真很好的吻合。计算了黑体辐射光谱通过设计滤波器后能量分布图和光谱控制效率，比无滤波器时平均提高了25%。分析了微结构光栅的表面等离子体共振和磁极化共振特性，基于此设计了3.2μm处选择辐射的Au-Si-Au-Si-Au光栅辐射器，辐射半高宽约0.7μm且无方向选择性。进一步优化设计出Ag-SiO2-Ag光栅辐射器，该结构在边界波长处辐射曲线更陡直，即选择辐射性更强，且加工更方便，造价更低，半高宽约0.45μm。借助LC电路的等效模型对辐射器磁极化共振条件进行了预测，预测结果与FDTD仿真结果吻合较好。最后计算了设计选择辐射器的光谱控制效率，比使用黑体辐射器时平均提高了43%。将设计滤波器和选择辐射器联合使用，温度为1200K时TPV热电转换效率高达15.8%，当PV电池的研究更成熟，效率更高时，此项技术将有望成为现实，对节约可再生能源和改善环境热污染有重大意义。