准随机结构调控与光能传输转换应用研究

The dielectric modulation nano structure can be used to control the propagation mode of the photon in slab waveguide and achieve the high efficiency energy conversion. We propose the quasi-random nano structure with the period between period and random/quasi-crystals nano structure. This nano structure is suitable for broad band photon control in thin film slab waveguide because it can deterministic design like the period structure while generate enough wave vector like the random structure. We will use the deterministic quasi-random nano structure to control the k in the slab waveguide, in order to show how the dielectric modulation nano structure to control the propagation mode of the photon in slab waveguide. One the one hand, we will try to find out the relationship between the light trapping effect and the pixels size/sample thickness of the quasi-random nano structure. Then by using wet etched and backside pattern to keep its electronic properties, we will demonstrate the physics mechanism of how to reduce the thickness of the solar cell while maintain the efficiency. On the other hand, we also try to demonstrate how to use quasi-random structure to enhance the emission of the perovskite LED by destroy its propagation mode inside LED.

介质折射率调制微纳结构为调控光能传输以及实现光能高效转换提供了新方法和新技术。我们在周期结构和准晶、随机结构的基础上，提出了重复周期介乎两者之间的准随机结构，这种结构结合了周期结构可控设计以及准晶、随机结构能产生较多波矢分量的优点，能同时满足宽波段和薄膜结构波导模式调控的要求。本项目拟利用该结构调节平板波导中的横向波矢强度分布，演示介质折射率调制微纳结构对平板波导传输模式调制的一般规律和物理机制。在此基础上利用可控性准随机结构，我们一方面研究讨论准随机结构的陷光效应与结构像素尺寸大小、吸收材料厚度等的关系，在太阳电池上设计制备出基于电池表面湿法腐蚀工艺以及位于电池背面的准随机结构，从而减小微纳陷光结构对电池电学特性的破坏，为在保持电池效率的基础上利用微纳结构陷光效应减薄电池厚度提供物理依据；另一方面将通过破坏LED器件内部的波导传输模式，达到提高钙钛矿等LED的能量萃取效率的目的。

基于介质折射率调制的微纳结构，为提高光能转换效率以及光场传输调控提供了新方法和新技术。本项目按研究计划，研究了如何利用微纳结构提高太阳电池和光源效率：在提高太阳电池效率方面，我们在实验和理论上研究了可控性准随机微纳结构对薄膜结构光能吸收的增强，并在此基础上进一步进行了太阳电池的设计制备研究；在提高光源效率方面，我们通过微纳结构，提高了量子点单光子源以及二维材料的光能辐射效率。同时，本项目还进行基于超构表面微纳结构的光场调控研究，进一步拓展了本项目的研究内容。通过本项目研究，我们共发表SCI论文15篇，其中包括SCI高被引论文四篇（ACS Photonics 4, 544, 2017；Advanced Energy Materials 7, 1601768, 2017；Energy & Environmental Science 10, 1792, 2017；Nature Nanotechnology 14，586, 2019）；获得授权专利两项；培养广东省杰出青年一名，博士后一名，博士研究生两名以及硕士研究生两名。本项目基本完成研究计划目标，其研究成果5-10年内在高效太阳电池和纳米光源等光能转换器件方面具有一定应用前景。