太陽能被認(rèn)為是未來價值的可持續(xù)能源之一。因此，追求提高能量轉(zhuǎn)換效率的方法對于實現(xiàn)更高效的光伏和光催化設(shè)備至關(guān)重要。至今，大量的化學(xué)或物理方法被用來增加光吸收系數(shù)，擴(kuò)展光譜范圍，并優(yōu)化光收集和轉(zhuǎn)換效率。

圖1：光伏和光催化中的光學(xué)諧振器示意圖

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

在光伏電池中，由于載流子擴(kuò)散長度短，因此需要薄的有源層，這通常會導(dǎo)致光吸收不足。同樣，光催化在太陽能轉(zhuǎn)換中也引起了極大的關(guān)注，以提供可再生能源，包括碳?xì)淙剂虾屯ㄟ^水分解析氫。光催化的性能主要取決于捕光和載流子收集能力。盡管如此，大多數(shù)光陽極材料由于其大帶隙而表現(xiàn)出較差的光吸收。

另一方面，光學(xué)諧振器，由于其將光子限制在超小體積內(nèi)的*能力，因此可作為許多現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用的構(gòu)建模塊。在過去的幾十年中，已經(jīng)對不同類型的光學(xué)諧振器進(jìn)行了*的研究和探索。利用*的光學(xué)特性，例如高品質(zhì)因數(shù)（Q 因數(shù)）和小模式體積，光學(xué)諧振器提供了一個有前途的平臺來增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用，例如激光器、集成光子學(xué)、光電探測器、光學(xué)傳感器、生物醫(yī)學(xué)檢測和光能相關(guān)設(shè)備。

圖2: 用于光伏和光催化的光學(xué)諧振器的概述

圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

近日，新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院的 Yu-Cheng Chen 教授及其合作者以 “Optical Resonator Enhanced Photovoltaics and Photocatalysis: Fundamental and Recent Progress”為題在 Laser & Photonics Reviews 在線發(fā)表綜述文章，該文章被選為2022封面文章之一。該綜述對利用光學(xué)諧振器增強(qiáng)光伏和光催化的理論和實驗進(jìn)展進(jìn)行了深入探討和全面的概述。

光學(xué)諧振器大致可以分為如下幾種不同的類型：

a）法布里-珀羅腔（FP cavity）

b）回音壁模式腔（WGM cavity）

c）光子晶體腔（Photonic Crystal cavity）

d）等離激元共振（Plasmonic Resonance）

e）混合腔體（Hybrid Cavities）

圖3: 不同光學(xué)諧振器的原理圖

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1. 法布里-珀羅腔在光伏和光催化中的應(yīng)用

法布里-珀羅腔可以由兩面鏡子或者折射率由高至低的交界面組成，法布里-珀羅腔可以操縱腔內(nèi)的電場分布進(jìn)而調(diào)制腔內(nèi)材料的吸收。與此同時，腔內(nèi)材料的吸收被增加，腔內(nèi)的光損失減少。正是因為法布里-珀羅腔容易與器件集成，容易控制反射帶，容易優(yōu)化厚度等優(yōu)點(diǎn)，法布里-珀羅腔可以在提升光伏和光催化的轉(zhuǎn)換效率中扮演重要的作用。

圖4: 法布里-珀羅腔的光伏應(yīng)用

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2. 回音壁模式腔在光伏和光催化中的應(yīng)用

在回音壁模式結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比外部結(jié)構(gòu)具有更高的折射率。因此，光被圓形結(jié)構(gòu)邊界處的全內(nèi)反射所限制。當(dāng)限制光同相返回到同一點(diǎn)時，就實現(xiàn)了諧振駐波。回音壁模式腔的優(yōu)點(diǎn)有*的品質(zhì)因素，可以直接被光伏活性物質(zhì)制成，同時容易控制其尺寸。

圖5: 回音壁模式腔的光伏應(yīng)用

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3. 光子晶體腔在光伏和光催化中的應(yīng)用

光子晶體腔由在一維、二維、三維空間具有周期性的介電常數(shù)變化的結(jié)構(gòu)組成，光子會在結(jié)構(gòu)中形成“能帶”，而在帶隙中光會被反射從而被限制在結(jié)構(gòu)中。在光子晶體的帶隙邊緣，光子態(tài)密度會急劇增加從而增加光與物質(zhì)的作用。同時，光子在帶隙邊緣具有極低的群速度，被稱為“慢光子”。所以，光的利用率大幅增加。

圖6: 光子晶體腔的光伏應(yīng)用

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4. 等離激元共振在光伏和光催化中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的光學(xué)腔體不同，表面等離激元通常被認(rèn)為是沒有腔的光學(xué)共振器。其具有*的光學(xué)特性：高消光截面、超小的模式體積和無衍射限制。由于這些原因，光捕獲和光散射的高能力已廣泛應(yīng)用于光伏和光催化。除了等離子體的光學(xué)效應(yīng)外，熱載流子在光伏和光催化設(shè)備中也發(fā)揮著重要作用。等離子體非輻射衰變產(chǎn)生的熱載流子不僅增強(qiáng)了載流子的產(chǎn)生，而且也增強(qiáng)了電荷的空間分離。

圖7: 等離激元共振的光伏應(yīng)用

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5. 混合腔體在光伏和光催化中的應(yīng)用

不同的腔體類型具有*的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) ，只要設(shè)計得當(dāng)，混合腔體可以有機(jī)地融合他們之間的優(yōu)點(diǎn)。例如，F(xiàn)P 和 WGM 腔之間的耦合可以在 FP 腔內(nèi)提供更好的光學(xué) 3D 限制的共振。此外，等離子體共振和 其他光學(xué)腔體之間的耦合表現(xiàn)出許多有趣的特征，比如強(qiáng)耦合。而這些混合腔體在光伏和光催化中也逐漸開始起到重要的作用。

圖8: 混合腔體的光催化應(yīng)用

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針對不同的結(jié)構(gòu)和具體應(yīng)用，可以根據(jù)不同光學(xué)諧振器的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。所以，光伏和光催化器件的外量子效率，吸收效率，能量轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)都可以被光諧振器大幅增加。

當(dāng)然，腔體諧振器在光伏和光催化領(lǐng)域依然面臨了許多挑戰(zhàn)，特別是轉(zhuǎn)向真正的工業(yè)應(yīng)用，集成和可擴(kuò)展性。現(xiàn)今基本上大部分的研究還停留在了概念證明階段。

我們要提到的另一個關(guān)鍵問題是，迄今為止展示的大多數(shù)腔增強(qiáng)型光電器件都沒有充分利用諧振效應(yīng)。這是因為大多數(shù)光子諧振器僅增強(qiáng)與其諧振模式相吻合的窄帶寬。然而，大多數(shù)光催化和光伏器件需要在寬光譜范圍內(nèi)進(jìn)行吸收和共振，因此，光模與太陽光重疊的有源區(qū)域通常非常低。所以，腔諧振對輸出功率的貢獻(xiàn)仍然有很多潛力可以挖掘。

隨著*的腔體設(shè)計、制造技術(shù)和活性納米材料的快速發(fā)展，我們預(yù)計腔體增強(qiáng)光伏和光催化將繼續(xù)蓬勃發(fā)展，并為科學(xué)和工業(yè)開辟新的機(jī)遇。

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