Sn基钙钛矿材料因其无毒、较宽带隙和热稳定性成为太阳能电池研究领域的热点。本文利用SCAPS-1D软件构建了结构为FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag钙钛矿太阳能电池并对其相关性能进行了数值计算。研究了钙钛矿光吸收层厚度、空穴传输层厚度、空穴传输层和钙钛矿光吸收层间面缺陷,以及工作温度对器件性能的影响, 然后对器件性能进行优化。经优化后, 钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%。通过理论分析进一步为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路。

设计了193nm窄角度和宽角度入射增透膜以及正入射高反膜, 其中增透膜s和p偏振光透射率的最大偏差分别为0.17%和0.44%。结合标量散射理论和等效吸收层近似理论, 多层膜间的粗糙界面等效为薄的吸收层, 基于薄膜本征传输矩阵计算分析了不同界面粗糙度下的光谱性能。研究发现, 薄膜光谱性能随着界面均方根粗糙度的增加而急剧退化, 高反膜反射带宽也随之降低, 达到4nm时, 宽角度入射增透膜和高反膜光谱性能在193nm处分别退化2.04%和2.09%。界面粗糙度是影响高光谱性能真空紫外光学薄膜制备的重要因素。

本文使用两步法, 通过控制PbI2(DMSO)溶液的浓度制备了不同厚度的有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI3)光吸收层薄膜, 并组装了大面积基于碳电极且无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。对不同厚度MAPbI3光吸收层薄膜的晶相、光吸收性质、表面形貌、元素组成进行分析, 并进一步测试了基于MAPbI3薄膜制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能。结果表明, MAPbI3光吸收层薄膜厚度与PbI2(DMSO)浓度呈正相关关系, 浓度为1.3 mol/L的PbI2溶液制备的MAPbI3薄膜厚度约为350 nm, 具有较好的结晶度和光吸收强度, 且薄膜表面致密平整, 无明显缺陷, 基于350 nm MAPbI3光吸收层的钙钛矿太阳能电池获得了8.48%的光电转换效率。

使用半导体激光器透射焊接聚碳酸酯(PC)板材,对比了以涂抹有碳黑的金属铜膜(CWCB)作为激光吸收层和以碳黑(CB)作为激光吸收层的PC件的可焊性差异,进一步分析了CWCB宽度对焊接件的结构特征、焊缝变形、残余应力和焊接强度的影响。结果表明:与CB相比,CWCB作为激光吸收层的焊缝区域气泡的数目较少,焊缝中的CWCB有明显的变形。随着CWCB宽度的增加,变形深度和变形面积增加,当CWCB的宽度超过2.5 mm时,变形深度和变形面积逐渐下降,焊缝边缘的溢出高度为386.32~392.26 μm。残余应力与焊缝宽度随着CWCB宽度的增加而增加。CWCB宽度为1 mm时焊接件具有最大的焊接强度21.5 MPa,之后随着CWCB宽度的增加,焊接强度逐渐减小。

宽带隙的无机空穴传输材料硫氰酸亚铜(CuSCN)具有低成本、高载流子迁移率、良好的稳定性，以及优异的光透过性等优点，是一种非常有潜力的空穴传输层材料。但是目前基于CuSCN空穴传输层的n-i-p型钙钛矿太阳电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)比基于spiro-OMeTAD的电池效率低很多，其主要原因为电池的开路电压较低。本研究团队发现钙钛矿吸收层带隙对基于CuSCN的电池开路电压有较大的影响，本文分别制备了基于带隙为1.55 eV，1.60 eV以及1.65 eV的钙钛矿太阳电池，其中基于CuSCN 的器件的效率分别为12.8%，14.4%，10.7%(基于spiro-OMeTAD的钙钛矿太阳电池效率分别为20.8%，19.1%和17.5%)。通过研究发现1.60 eV带隙的钙钛矿能够与CuSCN空穴传输层(HTL)之间形成较好的界面能级匹配，获得最高的效率，电池的开路电压能够达到1.06 V，电池PCE为14.4%。更重要的是在相对湿度(RH)30%~40%的空气中，未封装的基于CuSCN HTL钙钛矿太阳电池经过120 ℃处理1 h后仍能够保持原来性能的92.4%，而基于spiro-OMeTAD HTL钙钛矿太阳电池只能保持原来性能的49.7%。这表明基于CuSCN的n-i-p型钙钛矿太阳电池具有良好的热稳定性，是制备稳定钙钛矿太阳电池的理想空穴传输材料之一。

为了实现光纤宏弯温度传感, 对单模光纤宏弯损耗的温度响应特性进行了理论与实验研究.理论上对单模光纤宏弯损耗理论公式进行了温度修正.基于该公式模拟了波长、弯曲半径以及温度对纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗性能的影响.设计制作了一种带吸收层和镍保护层的单模光纤宏弯温度传感探头并进行了温度传感性能实验测试.结果表明: 纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗对弯曲半径、波长和温度变化较为敏感, 与温度之间的响应呈线性, 该探头的温度分辨率为0.4℃; 通过减小弯曲半径和提高光源波长, 可进一步提高其温度灵敏度和分辨率.该结构光纤可近似看作纤芯-无限包层结构光纤, 用于开发光纤宏弯温度传感器.

为了克服时域有限差分算法中卷积完全匹配层对消逝波吸收效果差的缺点，提出一种在卷积完全匹配层后添加特殊吸收层的方法.在不增加物体与吸收层内层距离的情况下,通过调节特殊吸收层中两个衰减因子,使其为常数,并令吸收因子逐层从1增加到10，来增强吸收层对消逝波的吸收性能.平面波垂直入射到单层光子晶体的算例表明，添加了特殊吸收层的吸收边界在与散射体相距5个网格的情况下仍能够保持计算结果收敛, 而传统的吸收边界则需要相距80个网格才能保证结果收敛，说明该方法提高了对消逝波的吸收性能.进一步在结构中采用此吸收边界来计算多层光子晶体的传输特性曲线,并将其与常规方法计算所得结果做比较，两种结果吻合较好.数值算例验证了该方法的有效性和正确性.

PIN光探测器是光纤通信系统和网络中的关键器件。量子效率和响应带宽是衡量光探测器性能的重要指标, 并且这两个参数都与器件的吸收层密切相关。为了提高光探测器的性能, 提出了一种新型双吸收层光探测器(即PINIP结构), 利用侧腐蚀工艺减小双吸收层光探测器吸收层的结面积。对其性能进行了理论研究, 结果表明该器件的量子效率达到了93%, 同时响应带宽达到了26GHz, 比传统结构的双吸收层光探测器提高了44%。

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池, 利用严格耦合波方法分析了矩形光栅和双层矩形光栅结构砷化镓吸收层在280～900 nm入射波长范围内的吸收效率.分析表明：在吸收层厚度一定的条件下, 矩形光栅结构相比于平坦形吸收层的吸收率有较大提高;双层矩形光栅吸收效果更为明显, 其对可见光的吸收率在较大波长范围内比单层矩形光栅提高了至少10%, 比平坦形提高了至少20%.可见通过结构设计, 光子在光栅内随机反射增加了光在吸收层的作用时间和距离, 增强了吸收层对光的吸收率, 进而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率.

设计了一种具有光栅结构砷化镓吸收层的薄膜太阳能电池, 利用严格耦合波方法对矩形光栅和三角形光栅结构砷化镓吸收层在300～900 nm入射波长范围内的吸收效率进行了分析。结果表明: 相比于平坦吸收层, 两种光栅结构在TE和TM偏振光条件下吸收效率均有提高, 峰值吸收率可提高55.9%。并对矩形光栅、三角形光栅结构参数进行了优化设计, 对两种光栅吸收层的角度依赖性做了分析, 得出在填充比和厚度相同的情况下, 正三角形光栅吸收层的角度依赖性最优。最后利用有限元法对入射光在电池吸收层的吸收增强效应进行了理论模拟, 通过与平坦结构吸收层的电场分布对比, 可以直观地看出入射光在光栅结构吸收层的吸收增强效应。该研究结果为制备高效率、高性能太阳能电池结构提供了参考依据。