太陽能被認為是未來價值的可持續(xù)能源之一。因此，追求提高能量轉(zhuǎn)換效率的方法對于實現(xiàn)更高效的光伏和光催化設(shè)備至關(guān)重要。至今，大量的化學或物理方法被用來增加光吸收系數(shù)，擴展光譜范圍，并優(yōu)化光收集和轉(zhuǎn)換效率。

圖1：光伏和光催化中的光學諧振器示意圖

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

在光伏電池中，由于載流子擴散長度短，因此需要薄的有源層，這通常會導致光吸收不足。同樣，光催化在太陽能轉(zhuǎn)換中也引起了極大的關(guān)注，以提供可再生能源，包括碳氫燃料和通過水分解析氫。光催化的性能主要取決于捕光和載流子收集能力。盡管如此，大多數(shù)光陽極材料由于其大帶隙而表現(xiàn)出較差的光吸收。

另一方面，光學諧振器，由于其將光子限制在超小體積內(nèi)的*能力，因此可作為許多現(xiàn)代光學應用的構(gòu)建模塊。在過去的幾十年中，已經(jīng)對不同類型的光學諧振器進行了*的研究和探索。利用*的光學特性，例如高品質(zhì)因數(shù)（Q 因數(shù)）和小模式體積，光學諧振器提供了一個有前途的平臺來增強光物質(zhì)相互作用，例如激光器、集成光子學、光電探測器、光學傳感器、生物醫(yī)學檢測和光能相關(guān)設(shè)備。

圖2: 用于光伏和光催化的光學諧振器的概述

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

近日，新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院的 Yu-Cheng Chen 教授及其合作者以 “Optical Resonator Enhanced Photovoltaics and Photocatalysis: Fundamental and Recent Progress”為題在 Laser & Photonics Reviews 在線發(fā)表綜述文章，該文章被選為2022封面文章之一。該綜述對利用光學諧振器增強光伏和光催化的理論和實驗進展進行了深入探討和全面的概述。

光學諧振器大致可以分為如下幾種不同的類型：

a）法布里-珀羅腔（FP cavity）

b）回音壁模式腔（WGM cavity）

c）光子晶體腔（Photonic Crystal cavity）

d）等離激元共振（Plasmonic Resonance）

e）混合腔體（Hybrid Cavities）

圖3: 不同光學諧振器的原理圖

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1. 法布里-珀羅腔在光伏和光催化中的應用

法布里-珀羅腔可以由兩面鏡子或者折射率由高至低的交界面組成，法布里-珀羅腔可以操縱腔內(nèi)的電場分布進而調(diào)制腔內(nèi)材料的吸收。與此同時，腔內(nèi)材料的吸收被增加，腔內(nèi)的光損失減少。正是因為法布里-珀羅腔容易與器件集成，容易控制反射帶，容易優(yōu)化厚度等優(yōu)點，法布里-珀羅腔可以在提升光伏和光催化的轉(zhuǎn)換效率中扮演重要的作用。

圖4: 法布里-珀羅腔的光伏應用

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2. 回音壁模式腔在光伏和光催化中的應用

在回音壁模式結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比外部結(jié)構(gòu)具有更高的折射率。因此，光被圓形結(jié)構(gòu)邊界處的全內(nèi)反射所限制。當限制光同相返回到同一點時，就實現(xiàn)了諧振駐波?；匾舯谀Ｊ角坏膬?yōu)點有*的品質(zhì)因素，可以直接被光伏活性物質(zhì)制成，同時容易控制其尺寸。

圖5: 回音壁模式腔的光伏應用

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3. 光子晶體腔在光伏和光催化中的應用

光子晶體腔由在一維、二維、三維空間具有周期性的介電常數(shù)變化的結(jié)構(gòu)組成，光子會在結(jié)構(gòu)中形成“能帶”，而在帶隙中光會被反射從而被限制在結(jié)構(gòu)中。在光子晶體的帶隙邊緣，光子態(tài)密度會急劇增加從而增加光與物質(zhì)的作用。同時，光子在帶隙邊緣具有極低的群速度，被稱為“慢光子”。所以，光的利用率大幅增加。

圖6: 光子晶體腔的光伏應用

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4. 等離激元共振在光伏和光催化中的應用

與傳統(tǒng)的光學腔體不同，表面等離激元通常被認為是沒有腔的光學共振器。其具有*的光學特性：高消光截面、超小的模式體積和無衍射限制。由于這些原因，光捕獲和光散射的高能力已廣泛應用于光伏和光催化。除了等離子體的光學效應外，熱載流子在光伏和光催化設(shè)備中也發(fā)揮著重要作用。等離子體非輻射衰變產(chǎn)生的熱載流子不僅增強了載流子的產(chǎn)生，而且也增強了電荷的空間分離。

圖7: 等離激元共振的光伏應用

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5. 混合腔體在光伏和光催化中的應用

不同的腔體類型具有*的優(yōu)點與缺點 ，只要設(shè)計得當，混合腔體可以有機地融合他們之間的優(yōu)點。例如，F(xiàn)P 和 WGM 腔之間的耦合可以在 FP 腔內(nèi)提供更好的光學 3D 限制的共振。此外，等離子體共振和 其他光學腔體之間的耦合表現(xiàn)出許多有趣的特征，比如強耦合。而這些混合腔體在光伏和光催化中也逐漸開始起到重要的作用。

圖8: 混合腔體的光催化應用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

針對不同的結(jié)構(gòu)和具體應用，可以根據(jù)不同光學諧振器的特點進行選擇。所以，光伏和光催化器件的外量子效率，吸收效率，能量轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)都可以被光諧振器大幅增加。

當然，腔體諧振器在光伏和光催化領(lǐng)域依然面臨了許多挑戰(zhàn)，特別是轉(zhuǎn)向真正的工業(yè)應用，集成和可擴展性?，F(xiàn)今基本上大部分的研究還停留在了概念證明階段。

我們要提到的另一個關(guān)鍵問題是，迄今為止展示的大多數(shù)腔增強型光電器件都沒有充分利用諧振效應。這是因為大多數(shù)光子諧振器僅增強與其諧振模式相吻合的窄帶寬。然而，大多數(shù)光催化和光伏器件需要在寬光譜范圍內(nèi)進行吸收和共振，因此，光模與太陽光重疊的有源區(qū)域通常非常低。所以，腔諧振對輸出功率的貢獻仍然有很多潛力可以挖掘。

隨著*的腔體設(shè)計、制造技術(shù)和活性納米材料的快速發(fā)展，我們預計腔體增強光伏和光催化將繼續(xù)蓬勃發(fā)展，并為科學和工業(yè)開辟新的機遇。

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