[发明专利]单片反射镜及其设计方法

说明书

本发明涉及一种包括多个一维光子晶体的反射镜，该反射镜在入射光子的非常宽的波长范围、宽的方向范围、甚至是半球上以及所有偏振中具有非常高的反射率。本发明还涉及一种设计所述反射镜的方法及包括这样的反射镜的光伏电池。

技术领域

本发明涉及一种包括多个一维光子晶体的反射镜(mirror)，该反射镜在入射光子的非常宽的波长范围、宽的方向范围、甚至是半球上以及所有偏振(polarization)中均具有非常高的反射率。本发明还涉及一种设计和制造所述反射镜的方法以及包括这样的反射镜的光伏电池(photovoltaic cell)。

背景技术

光子晶体(photonic crystal)是由一种或几种折射率可变的材料形成的晶胞在空间中周期性无限重复的结构。光子晶体可包含没有光子存在的禁带或带隙。入射到光子晶体上的具有在所述带隙内的能量的光子不能进入光子晶体，因此被全反射，即在所述能量下的光子晶体的反射率等于1。对光子晶体的介绍可在Joannopoulos,J.D.,Meade,R.D.:“Photonic Crystals:Molding the Flow of Light”，Princeton University Press(美国普林斯顿大学出版社)(2005年)中找到。

在一维(1D)光子晶体中，折射率的变化只发生在一维(称为z)上，并且，晶胞通常由两层不同折射率(通常称为高(H)和低(L))的电介质形成。尽管一维光子晶体的能量位置随光子相对于z轴的入射角(θ)及其偏振而变化，但他们也具有带隙。在实践中，光子晶体具有有限数量的晶胞，这在一定程度上降低了带隙中的反射率，但通常反射率的值仍然非常接近一。相比之下，在三维(3D)光子晶体(其折射率形成在空间的三个轴上变化的周期性结构)中，带隙(如果存在)不依赖于入射角。然而，现有的空间结构很少能够产生适当的带隙，并且它们几乎不适合大规模商业化。

在一维光子晶体中，形成包含z轴和光子入射到晶体上的方向的参考平面，即根据代表它的电磁平面波的波矢k。这个平面可被称为yz平面。任何平面波都是横向电(TE或s偏振)平面波(其电场矢量垂直于yz平面)和横向磁(TM或p偏振)平面波(其磁场垂直于yz平面)的线性组合。如前所述，带隙位置随入射角(θ)和TE或TM偏振而变化。

这些带隙的能量范围可用真空中的光子波长范围(λ₀)表示，波长与能量之间的关系由众所周知的公式λ₀＝hc/eE给出，其中，h为普朗克常数,c为真空中的光速，e为电子的电荷(均采用国际单位制)，E为以电子伏特为单位的能量。在本说明书中，带隙的能量跨度将用真空中的波长(λ₀)表示。因此，根据真空中光子波长(λ₀)变化的光子晶体的反射率(R)由单位高度且宽度等于带隙跨度的矩形近似表示。虽然该矩形的高度为1，但在角上出现了一定的圆化(rounding)，随着光子晶体中晶胞数量的减少，圆化更加明显。矩形的底边称为全反射带。矩形的边缘称为前缘(leading edge)和后缘(trailing edge)(后缘是位于右侧的边缘，具有较高的波长)。在这个矩形之外，在边缘之外，出现波状反射率(wavyreflectance)区域，在这些区域，反射率在任何地方都低于1。

在垂直入射(θ＝0)下，没有发现TE和TM偏振有差异，因为z轴和光子的方向一致，任何包含z轴的平面都可被视为TE或TM平面。对于倾斜非零角度(θ)的入射，全反射带发生蓝移，即向较低波长移动；并且，其宽度对于TE偏振增大而对于TM偏振减小。对于TE偏振和TM偏振，后缘也发生蓝移，但TM偏振的偏移最大。这些修改对于更大的角度更强，并且，对于水平(θ＝π/2rad)入射(levelling incidence)最强。