1.2　国内外研究现状

1.2.1　表面微结构在能量转换系统中的应用

如今，通过构造一维、二维以及三维微纳米结构来改变表面的反射和发射特性已经被广泛应用到许多能量转换系统中，如波长选择性吸收器和发射器［6，8-9，22-26］。

2000年，Heinzel等入［6］利用严格耦合波分析法研究了二维周期性金属光栅结构的选择性辐射特性；研究表明二维钨光栅能够通过激发表面等离子体波来调控光谱发射特性，其为波长选择性发射器和滤波器的发展提供了新思路。2001年，Maruyama等人［22］利用微加工技术制造出高填充比的二维硅材料微腔阵列结构，且在其上覆盖了一层铬薄膜；并用数值模拟和实验测量相结合，研究了此结构的光谱辐射特性以及角度依赖和偏振特性；研究表明此结构能够获得较好的选择辐射特性，并且其发射率的增大是由于激发了空腔谐振效应。2001年，Sai等人［23］对二维周期性钨材料深微腔结构的辐射特性进行了研究；研究表明此结构作为热光伏辐射器能够通过激发空腔谐振效应在特定波长得到很高的发射率，并且可以通过改变结构参数来调控光谱辐射特性。2003年，Lin等人［24］利用实验方法构造出三维钨材料光子晶体结构，此结构在近红外波长范围内具有较高的吸收发射特性；基于其较好的发射特性，此结构适用于热光伏发电装置，并且采用了此种三维钨材料光子晶体结构的热光伏发电装置的光电转换效率高达34%。2004年，Narayanaswamy等人［8］研究了一维金属—介质周期性结构的热辐射特性；研究表明这种简单的一维钨薄膜光子晶体结构在红外和可见光范围内呈现出了较好的类似于三维光子晶体的选择发射特性；所以其在热光伏装置以及选择性发射装置方面有广阔的应用前景。2007年，Popov等人［9］利用差分法模拟了光照射到不同结构表面的衍射情况，并比较了一维金属浅光栅、一维金属深光栅、二维金属浅光栅以及二维金属深光栅的表面等离子波；研究表明表面等离子波能引起光栅表面附近局域场的明显增大。2011年，Huang等人［25］设计了应用于热光伏装置中的二维Ag微腔阵列窄带辐射器，并借助于时域有限差分法数值模拟了各结构参数、入射角以及方位角等对表面辐射特性的影响；结果表明此结构通过激发表面等离子体激元和空腔谐振效应使吸收率得到明显提高。

1.2.2　周期性表面微结构在太阳能电池中的应用

近年来，周期性微结构作为太阳能电池吸收表面也得到了越来越多的关注和研究［27-40］。此方面的研究主要是在太阳能电池表面构造周期性微结构来提高其在可见光及近红外波长范围内对太阳光的吸收特性。

2007年，Hu等人［27］提出了利用硅纳米线阵列结构作为光伏电池吸收表面，并利用传递矩阵法模拟了纳米线直径、长度以及填充比对吸收率的影响；结果表明具有适当填充比的纳米线阵列结构在可见光及近红外波长范围内能够得到比薄膜结构更低的反射率，因此纳米线阵列结构可以作为非常理想的太阳能电池吸收表面。2009年，Rockstuhl等人［31］研究了金属纳米圆盘结构作为薄膜多晶硅太阳能电池吸收表面的辐射特性；研究表明金属纳米圆盘结构能够通过激发局部等离子体激元来提高太阳能电池表面对太阳光的吸收率，因此构造金属纳米圆盘结构是一个非常好的提高太阳能电池效率的方法。2009年，黎慧华等人［32］提出在硅基薄膜太阳能电池底部引入一种叠层光栅结构以提高太阳能电池底部对光的反射，并利用模式传输线理论和严格耦合波分析法对此结构的辐射特性进行数值计算；研究表明此叠层结构对光的反射率高达99.95%。2010年，吴奉炳等人［34］提出了两种应用于太阳能电池表面的陷光结构，分别是矩形光栅陷光结构和三角形光栅陷光结构，并对这两种结构在可见光和近红外波段范围内的辐射特性进行了研究；结果表明这两种陷光结构都能够很好地提高太阳能电池表面对太阳光的吸收率以及短路电流，从而提高太阳能电池的整体转换效率。2011年，陈健等人［35］在硅薄膜太阳电池吸收表面构造出矩形介质光栅结构，并用严格耦合波分析法研究了各结构参数对表面反射率的影响；结果表明此结构能够降低太阳能电池表面对太阳光的反射率，提高硅基薄膜太阳电池对太阳光的吸收能力。2011年，Chang［36］等人提出具备梯度折射率的纳米结构，并对其光学特性做了实验测量和数值模拟；结果表明此结构的反射损失接近零，因此这种梯度折射率的纳米结构可以用作太阳能电池表面以增强表面对太阳光的吸收。2011年，Leem等人［37］利用再沉积法在硅基太阳能电池的掺铝氧化锌薄膜表面构造出了抛物线形的亚波长光栅结构，并利用严格耦合波分析法对此结构的表面辐射特性做了研究；结果表明相比于单纯的薄膜结构，此结构能够非常明显地抑制表面反射，从而提高太阳能电池表面对太阳光的吸收特性。2012年，Yang等人［38］提出在一个周期内包含三个不同背脊高度的一维复杂光栅结构，并利用时域有限差分法对此结构在不同入射角和不同温度下的辐射特性做了研究；结果表明此一维复杂光栅结构在整个计算波段内的吸收率高达85%，并且包含此结构的太阳能电池光电转换效率高达27.9%。2012年，Wang［39］等人利用有效介质理论研究了硅基太阳能电池表面纳米线结构的光学特性，并分析了纳米线结构的填充比、线长等结构参数对吸收特性的影响；研究表明纳米线结构作为太阳能电池吸收表面能够提高对太阳光的吸收能力。2013年，Cheng等人［40］提出由多个凹槽深度（或背脊高度）不同的一维简单光栅叠加而成的一维复杂光栅结构作为太阳能电池吸收表面，并采用严格耦合波分析法研究了各结构参数、入射角以及偏振角对光栅吸收率的影响，同时采用田口法对此一维复杂光栅的结构进行优化，最终得到了一种在垂直光照下吸收率高达0.94的一维复杂光栅结构。