采用传统紫外光刻技术与激光双光束干涉光刻技术相结合的方法,以及激光双光束干涉连续两次曝光的工艺方法,制备了具有多种形貌和周期的微纳米复合结构,解决了利用传统激光干涉加工技术制备微结构的形貌和周期单一的问题。通过优化实验条件,制备出了微米条形光栅、矩形、圆形和六边形点阵与纳米光栅相结合的微纳米复合结构;在玻璃/银膜/CH₃NH₃PbI₃结构中引入微纳米复合光栅结构,CH₃NH₃PbI₃的吸收在可见光范围内得到明显增强,这主要归因于微米光栅的散射效应和银膜/CH₃NH₃PbI₃界面表面等离子激元的电场增强效应的共同作用。

为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)光吸收效率、平衡有源层中载流子产生速率, 将周期性纳米光栅结构引入到PSCs器件结构中。分析了光栅周期、光栅高度和有源层厚度对表面等离子激元(SPPs)与法布里-珀罗(F-P)共振耦合模式的影响。通过改变光栅周期, 实现了SPPs与F-P共振耦合波长范围与钙钛矿材料的弱吸收光谱区域相重合, 同时光栅高度的增加可以增大耦合模式的光谱宽度。SPPs与F-P共振耦合模式实现了金属电极与电子传输层(ETL)界面处的局域电场增强。结果表明: 场增强效应扩展到有源区, 有效提高了PSCs有源层远入射光侧在570~800 nm波长范围内的光吸收, 进而提高了有源层远入射光区域的载流子产生速率。当光栅周期为250 nm、光栅高度为50 nm、源层厚度为300 nm时, PSCs在太阳光弱吸收光谱区域内的本征吸收提高了~12%, 有源层远入射光侧载流子产生速率提高了~41%。

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率, 我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中, 分析了具有光栅结构的空气/Ag1/有源层/Ag2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度, 实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元, 其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率, 提高了近19%。