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光學(xué)諧振器在光伏和光催化上的應(yīng)用

時(shí)間:2022-3-10閱讀:104
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太陽(yáng)能被認(rèn)為是未來(lái)價(jià)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(duì)于實(shí)現(xiàn)更高效的光伏光催化設(shè)備至關(guān)重要。至今,大量的化學(xué)或物理方法被用來(lái)增加光吸收系數(shù),擴(kuò)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(xué)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(kuò)散長(zhǎng)度短,因此需要薄的有源層,這通常會(huì)導(dǎo)致光吸收不足。同樣,光催化在太陽(yáng)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?xì)淙剂虾屯ㄟ^(guò)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(yáng)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(xué)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(xué)應(yīng)用的構(gòu)建模塊。在過(guò)去的幾十年中,已經(jīng)對(duì)不同類(lèi)型的光學(xué)諧振器進(jìn)行了*的研究和探索。利用*的光學(xué)特性,例如高品質(zhì)因數(shù)(Q 因數(shù))和小模式體積,光學(xué)諧振器提供了一個(gè)有前途的平臺(tái)來(lái)增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用,例如激光器、集成光子學(xué)、光電探測(cè)器、光學(xué)傳感器、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和光能相關(guān)設(shè)備。

圖2: 用于光伏和光催化的光學(xué)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(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)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(duì)利用光學(xué)諧振器增強(qiáng)光伏和光催化的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行了深入探討和全面的概述。

光學(xué)諧振器大致可以分為如下幾種不同的類(lèi)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(xué)諧振器的原理圖

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

1. 法布里-珀羅腔在光伏和光催化中的應(yīng)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(chǎng)分布進(jìn)而調(diào)制腔內(nèi)材料的吸收。與此同時(shí),腔內(nèi)材料的吸收被增加,腔內(nèi)的光損失減少。正是因?yàn)榉ú祭?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(diǎn),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(yīng)用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

2. 回音壁模式腔在光伏和光催化中的應(yīng)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(dāng)限制光同相返回到同一點(diǎn)時(shí),就實(shí)現(xiàn)了諧振駐波。回音壁模式腔的優(yōu)點(diǎn)有*的品質(zhì)因素,可以直接被光伏活性物質(zhì)制成,同時(shí)容易控制其尺寸。

圖5: 回音壁模式腔的光伏應(yīng)用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

3. 光子晶體腔在光伏和光催化中的應(yīng)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(huì)在結(jié)構(gòu)中形成“能帶”,而在帶隙中光會(huì)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(huì)急劇增加從而增加光與物質(zhì)的作用。同時(shí),光子在帶隙邊緣具有極低的群速度,被稱(chēng)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(yīng)用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

4. 等離激元共振在光伏和光催化中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的光學(xué)腔體不同,表面等離激元通常被認(rèn)為是沒(méi)有腔的光學(xué)共振器。其具有*的光學(xué)特性:高消光截面、超小的模式體積和無(wú)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(yīng)用于光伏和光催化。除了等離子體的光學(xué)效應(yīng)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(qiáng)了載流子的產(chǎn)生,而且也增強(qiáng)了電荷的空間分離。

圖7: 等離激元共振的光伏應(yīng)用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

5. 混合腔體在光伏和光催化中的應(yīng)用

不同的腔體類(lèi)型具有*的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) ,只要設(shè)計(jì)得當(dāng),混合腔體可以有機(jī)地融合他們之間的優(yōu)點(diǎn)。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(xué) 3D 限制的共振。此外,等離子體共振和 其他光學(xué)腔體之間的耦合表現(xiàn)出許多有趣的特征,比如強(qiáng)耦合。而這些混合腔體在光伏和光催化中也逐漸開(kāi)始起到重要的作用。

圖8: 混合腔體的光催化應(yīng)用

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)和具體應(yīng)用,可以根據(jù)不同光學(xué)諧振器的特點(diǎn)進(jìn)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(dāng)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(yīng)用,集成和可擴(kuò)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是,迄今為止展示的大多數(shù)腔增強(qiáng)型光電器件都沒(méi)有充分利用諧振效應(yīng)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)光子諧振器僅增強(qiáng)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(jìn)行吸收和共振,因此,光模與太陽(yáng)光重疊的有源區(qū)域通常非常低。所以,腔諧振對(duì)輸出功率的貢獻(xiàn)仍然有很多潛力可以挖掘。

隨著*的腔體設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和活性納米材料的快速發(fā)展,我們預(yù)計(jì)腔體增強(qiáng)光伏和光催化將繼續(xù)蓬勃發(fā)展,并為科學(xué)和工業(yè)開(kāi)辟新的機(jī)遇。

上海芬創(chuàng)信息科技有限公司2004年成立至今,作為西格瑪光機(jī)等專(zhuān)業(yè)的光機(jī)電產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)提供商,芬創(chuàng)科技長(zhǎng)期致力于將國(guó)際上的光機(jī)電技術(shù)及研究方法介紹引進(jìn)到中國(guó);專(zhuān)注為中國(guó)的光學(xué)電子/微電子/激光應(yīng)用/生物/醫(yī)藥/物理、光學(xué)研究機(jī)構(gòu)/計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)/機(jī)械加工用戶(hù)提供高品質(zhì)的產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。

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