1.2　國內外研究現狀

1.2.1　表面微結構在能量轉換系統中的應用

如今，通過構造一維、二維以及三維微納米結構來改變表面的反射和發射特性已經被廣泛應用到許多能量轉換系統中，如波長選擇性吸收器和發射器［6，8-9，22-26］。

2000年，Heinzel等入［6］利用嚴格耦合波分析法研究了二維周期性金屬光柵結構的選擇性輻射特性；研究表明二維鎢光柵能夠通過激發表面等離子體波來調控光譜發射特性，其為波長選擇性發射器和濾波器的發展提供了新思路。2001年，Maruyama等人［22］利用微加工技術制造出高填充比的二維硅材料微腔陣列結構，且在其上覆蓋了一層鉻薄膜；并用數值模擬和實驗測量相結合，研究了此結構的光譜輻射特性以及角度依賴和偏振特性；研究表明此結構能夠獲得較好的選擇輻射特性，并且其發射率的增大是由于激發了空腔諧振效應。2001年，Sai等人［23］對二維周期性鎢材料深微腔結構的輻射特性進行了研究；研究表明此結構作為熱光伏輻射器能夠通過激發空腔諧振效應在特定波長得到很高的發射率，并且可以通過改變結構參數來調控光譜輻射特性。2003年，Lin等人［24］利用實驗方法構造出三維鎢材料光子晶體結構，此結構在近紅外波長范圍內具有較高的吸收發射特性；基于其較好的發射特性，此結構適用于熱光伏發電裝置，并且采用了此種三維鎢材料光子晶體結構的熱光伏發電裝置的光電轉換效率高達34%。2004年，Narayanaswamy等人［8］研究了一維金屬—介質周期性結構的熱輻射特性；研究表明這種簡單的一維鎢薄膜光子晶體結構在紅外和可見光范圍內呈現出了較好的類似于三維光子晶體的選擇發射特性；所以其在熱光伏裝置以及選擇性發射裝置方面有廣闊的應用前景。2007年，Popov等人［9］利用差分法模擬了光照射到不同結構表面的衍射情況，并比較了一維金屬淺光柵、一維金屬深光柵、二維金屬淺光柵以及二維金屬深光柵的表面等離子波；研究表明表面等離子波能引起光柵表面附近局域場的明顯增大。2011年，Huang等人［25］設計了應用于熱光伏裝置中的二維Ag微腔陣列窄帶輻射器，并借助于時域有限差分法數值模擬了各結構參數、入射角以及方位角等對表面輻射特性的影響；結果表明此結構通過激發表面等離子體激元和空腔諧振效應使吸收率得到明顯提高。

1.2.2　周期性表面微結構在太陽能電池中的應用

近年來，周期性微結構作為太陽能電池吸收表面也得到了越來越多的關注和研究［27-40］。此方面的研究主要是在太陽能電池表面構造周期性微結構來提高其在可見光及近紅外波長范圍內對太陽光的吸收特性。

2007年，Hu等人［27］提出了利用硅納米線陣列結構作為光伏電池吸收表面，并利用傳遞矩陣法模擬了納米線直徑、長度以及填充比對吸收率的影響；結果表明具有適當填充比的納米線陣列結構在可見光及近紅外波長范圍內能夠得到比薄膜結構更低的反射率，因此納米線陣列結構可以作為非常理想的太陽能電池吸收表面。2009年，Rockstuhl等人［31］研究了金屬納米圓盤結構作為薄膜多晶硅太陽能電池吸收表面的輻射特性；研究表明金屬納米圓盤結構能夠通過激發局部等離子體激元來提高太陽能電池表面對太陽光的吸收率，因此構造金屬納米圓盤結構是一個非常好的提高太陽能電池效率的方法。2009年，黎慧華等人［32］提出在硅基薄膜太陽能電池底部引入一種疊層光柵結構以提高太陽能電池底部對光的反射，并利用模式傳輸線理論和嚴格耦合波分析法對此結構的輻射特性進行數值計算；研究表明此疊層結構對光的反射率高達99.95%。2010年，吳奉炳等人［34］提出了兩種應用于太陽能電池表面的陷光結構，分別是矩形光柵陷光結構和三角形光柵陷光結構，并對這兩種結構在可見光和近紅外波段范圍內的輻射特性進行了研究；結果表明這兩種陷光結構都能夠很好地提高太陽能電池表面對太陽光的吸收率以及短路電流，從而提高太陽能電池的整體轉換效率。2011年，陳健等人［35］在硅薄膜太陽電池吸收表面構造出矩形介質光柵結構，并用嚴格耦合波分析法研究了各結構參數對表面反射率的影響；結果表明此結構能夠降低太陽能電池表面對太陽光的反射率，提高硅基薄膜太陽電池對太陽光的吸收能力。2011年，Chang［36］等人提出具備梯度折射率的納米結構，并對其光學特性做了實驗測量和數值模擬；結果表明此結構的反射損失接近零，因此這種梯度折射率的納米結構可以用作太陽能電池表面以增強表面對太陽光的吸收。2011年，Leem等人［37］利用再沉積法在硅基太陽能電池的摻鋁氧化鋅薄膜表面構造出了拋物線形的亞波長光柵結構，并利用嚴格耦合波分析法對此結構的表面輻射特性做了研究；結果表明相比于單純的薄膜結構，此結構能夠非常明顯地抑制表面反射，從而提高太陽能電池表面對太陽光的吸收特性。2012年，Yang等人［38］提出在一個周期內包含三個不同背脊高度的一維復雜光柵結構，并利用時域有限差分法對此結構在不同入射角和不同溫度下的輻射特性做了研究；結果表明此一維復雜光柵結構在整個計算波段內的吸收率高達85%，并且包含此結構的太陽能電池光電轉換效率高達27.9%。2012年，Wang［39］等人利用有效介質理論研究了硅基太陽能電池表面納米線結構的光學特性，并分析了納米線結構的填充比、線長等結構參數對吸收特性的影響；研究表明納米線結構作為太陽能電池吸收表面能夠提高對太陽光的吸收能力。2013年，Cheng等人［40］提出由多個凹槽深度（或背脊高度）不同的一維簡單光柵疊加而成的一維復雜光柵結構作為太陽能電池吸收表面，并采用嚴格耦合波分析法研究了各結構參數、入射角以及偏振角對光柵吸收率的影響，同時采用田口法對此一維復雜光柵的結構進行優化，最終得到了一種在垂直光照下吸收率高達0.94的一維復雜光柵結構。