RCWA方法及其在光子晶体太阳能电池设计中的应用研究

摘要

本文主要对RCWA（RCWA:Rigorous Coupled Wave Analysis，严格耦合波分析）进行理论研究及其对光栅的分析与优化。研究内容包括RCWA方法的理论研究、Matlab平台仿真计算及FPGA IP核的初步设计。RCWA方法是近年发展起来的一类矢量衍射理论分析方法，它适用具有周期结构的光学器件。RCWA方法考虑了入射光的偏振特性，对入射光已知的特性函数进行傅里叶展开，根据麦克斯韦方程组并且结合边界条件进行求解。FPGA则是一种具有加速计算功能的硬件计算平台。
　　本文主要做了以下工作:第一，总结、归纳了适用于具有周期性结构的亚波长光学器件的矢量衍射理论方法——RCWA方法。第二，以一维矩形光栅为例，使用RCWA计算一般光束对光栅的衍射情况，计算表明，RCWA方法的计算精确度只是受到傅里叶级数的限制。第三，提出两种不同结构的亚波长光栅，根据RCWA原理，在matlab平台上编程并对亚波长光栅进行分析。计算结果表明:对于同一束光，当光栅参数结构不同时，光束透射的结果呈现出不同的周期性变化。根据RCWA方法的分析结果，对提出的半球体亚波长光栅以及圆柱体亚波长光栅进行结构优化。通过优化以后，两种光栅都具有良好的抗反射性能。最后，提出一种基于圆柱体亚波长光栅的硅薄膜太阳能电池。通过RCWA方法对太阳能电池的分析，在原始太阳能电池结构上分别增加了过渡层、反射层，并调整太阳能电池的结构参数。在经过不断的分析、优化后，完善了太阳能电池的结构。在广角范围内，入射光为TM偏振波的情况下，太阳能电池具有良好的吸收结果。
　　由于PC机计算复杂的光栅结构较为缓慢，因此尝试利用FPGA平台设计RCWA算法，初步实现FFT运算核的设计。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2衍射光学器件与理论方法

1．3基于FPGA可编程高性能计算

1．4本文结构

第二章RCWA理论方法研究

2．1严格耦合波分析

2．2 RCWA分析一维矩形光栅

2．3本章小结

第三章在Matlab平台下利用RCWA分析二维亚波长光栅

3．1 Matlab环境下的RCWA算法

3．2分析优化与计算

3．3本章小结

第四章一种硅薄膜太阳能电池的设计

4．1结构模型

4．2计算结果

4．3增加过渡层的电池结构

4．4增加纳米背反射层结构的电池结构

4．5本章小结

第五章FPGA原理及初步设计

5．1 FPGA原理与结构

5．2FPGA平台下RCWA算法

5．3本章小结

第六章总结与展望

参考文献

附录

致谢

个人简历及论文发表情况