近年来, Cs2SnI6作为一种无毒性、稳定性好的新型钙钛矿材料应用于太阳能电池中, 其电池的光电转换效率由最初不到1%增长到现在的8.5%, 使之成为有可能替代铅基钙钛矿太阳能电池的新型太阳能电池。本文采用基于广义密度泛函和杂化密度泛函的第一性原理方法研究了Cs2SnI6的电子结构、光学特性和钙钛矿太阳能电池的光电性能参数。研究结果表明, 导带底和价带顶位于同一高对称点Γ而属于直接跃迁型半导体, 且电子态主要来自于I-5p轨道和Sn-5s轨道。在近红外和可见光波长范围内有较高的吸收系数, 当Cs2SnI6钙钛矿厚度达到10 μm时, 吸收率在311~989 nm之间接近100%, 不考虑潜在损失的情况下, 理论上太阳能电池可获得短路电流为32.86 mA/cm2、开路电压0.91 V、填充因子87.4%、光电转换效率26.1%。为实验上制备高效Cs2SnI6钙钛矿太阳能电池提供了参考。

多重激子效应是指在纳米半导体晶体中,量子点吸收一个高能光子而产生多个电子-空穴对的过程, 该效应可以提高单结太阳电池能量转换效率。利用碰撞电离机制和费米统计模型计算了工作温度300 K的单结硅BC8量子点太阳能电池在AM1.5G太阳光谱下的能量转换效率。对于波长在280~580 nm的入射光, 多重激子效应可以大幅增强硅BC8量子点直径d>5.0 nm的量子点太阳电池的能量转换效率。硅纳米量子点的直径d=6.3~6.4 nm时, 最大能量转换效率为51.6%。

为了提高晶体硅（c-Si）薄膜太阳能电池对光的俘获能力，提出了一种可以显著增强光吸收的电池结构，该结构由减反射层、有源层和背反射镜组成。基于有效折射率调制的基本原则和严格耦合波理论，通过数值计算与仿真讨论了不同结构层的光学特性,计算了减反射层的透射率、背反射镜的反射率和经过优化后的c-Si薄膜太阳能电池的吸收率。在AM1.5G(地表面上接受到的以48°入射的太阳光谱，包含漫反射)照射下，当入射角小于75°,有源层的厚度为20 μm时，太阳能电池在400~850 nm、850~1000 nm、1000~1100 nm波长范围内平均吸收率分别为85.7%、49%、14%，有效弥补了c-Si薄膜太阳能电池近红外波段吸收不足的缺陷。

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构, 吸收层厚1 μm, 总厚度为1.45 μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性, 利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明: 当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时, 防反射层的透射率较高, 在300~600 nm波长范围内, 该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%; 当四棱锥光栅结构周期L=1.2 μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时, 背反射层的反射效果较好, 在600~850 nm波长范围内, 电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上, 平均吸收效率达92%, 满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。

提出了一种可以吸收宽光谱的晶体硅薄膜太阳电池结构，其中增透膜为三角形衍射光栅，背反射层由以晶体硅为背景的三角晶格的空气圆柱形光子晶体组成。采用严格耦合波理论和平面波展开法，模拟研究了衍射光栅和光子晶体对提高电池吸收率的影响。结果表明，入射角度在0°～60°之间，增透膜在380～1100 nm波长范围内存在高透射率，背反射层在800～1100 nm波长范围内存在高反射率。对于有源层厚度为20 μm的晶体硅薄膜太阳电池，在入射波为TM偏振状态下，自然光垂直入射时，三角形衍射光栅使光吸收率增加18%，二维光子晶体使光吸收率增加6%。有增透膜和背反射层的晶体硅薄膜太阳电池，当入射角度小于60°时，在380～850 nm波长范围内平均吸收率为87.6％，在850～1000 nm波长范围内平均吸收率为49％。

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理, 在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构; 基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性, 分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明: 通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率, 而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示: 优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能, 各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比, 该器件体积较小, 结构简单, 易于大规模集成, 很有应用前景。

提出了一种包含增透膜和背反射层的非晶硅薄膜太阳电池结构，其中增透膜由折射率从低到高的4层介质材料组成，背反射层由三角形介质衍射光栅和一维光子晶体结构组成。利用严格耦合波理论和平面波展开法，对介质层厚度和光栅进行优化设计，数值计算了增透膜和背反射层在入射角为0°～60°之间的反射效率。结果表明,增透膜在300～750 nm波长范围内存在高透射率，背反射层在600～750 nm波长范围内存在高反射率。对于活性层厚度为700 nm的非晶硅薄膜太阳电池，在入射波的TM偏振状态下，入射角小于75°时，电池经优化后在300～750 nm波长范围内平均吸收率为95%。

分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构, 采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收。计算结果表明: 在仅考虑TM偏振的情况下, 优化后的增透膜与无增透膜相比, 300~840 nm波长范围内的吸收平均提高了35%左右; 优化后的背反射器与无背反射器相比, 700~840 nm波长范围内的吸收平均提高了23%左右。该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收, 可以提高太阳能电池的转化效率。

为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题，提高光的透射率，设计了一种二维矩形SiO2光子晶体结构光栅。采用勒让德多项式展开法对该结构在可见-近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算，寻找到了合适的占空比e、光栅深度h和基底厚度d，使得光栅的透射率在入射角为0～60°范围内、入射波长在400 nm～1 200 nm范围内变化时，其透射率的变化相对稳定，透射率的平均值可达到96%以上。

设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于薄膜硅太阳能电池的背反射器，采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化，并对400～1 200 nm入射电磁波的反射率进行了模拟计算。结果表明: 在高反射率的一维光子晶体作用下，利用衍射光栅可以得到大倾角的反射光，有效地延长光子在电池吸收体的传播路径，使其得到充分吸收。衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以大幅提高电池的捕光能力，提高太阳能电池的转化效率。