太阳能被认为是未来有价值的可持续能源之一。因此，追求提高能量转换效率的方法对于实现更高效的光伏和光催化设备至关重要。至今，大量的化学或物理方法被用来增加光吸收系数，扩展光谱范围，并优化光收集和转换效率。

图1：光伏和光催化中的光学谐振器示意图

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

在光伏电池中，由于载流子扩散长度短，因此需要薄的有源层，这通常会导致光吸收不足。同样，光催化在太阳能转换中也引起了极大的关注，以提供可再生能源，包括碳氢燃料和通过水分解析氢。光催化的性能主要取决于捕光和载流子收集能力。尽管如此，大多数光阳极材料由于其大带隙而表现出较差的光吸收。

另一方面，光学谐振器，由于其将光子限制在超小体积内的独特能力，因此可作为许多现代光学应用的构建模块。在过去的几十年中，已经对不同类型的光学谐振器进行了彻底的研究和探索。利用独特的光学特性，例如高品质因数（Q 因数）和小模式体积，光学谐振器提供了一个有前途的平台来增强光物质相互作用，例如激光器、集成光子学、光电探测器、光学传感器、生物医学检测和光能相关设备。

图2: 用于光伏和光催化的光学谐振器的概述

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

近日，新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院的 Yu-Cheng Chen 教授及其合作者以 “Optical Resonator Enhanced Photovoltaics and Photocatalysis: Fundamental and Recent Progress”为题在 Laser & Photonics Reviews 在线发表综述文章，该文章被选为2022封面文章之一。该综述对利用光学谐振器增强光伏和光催化的理论和实验进展进行了深入探讨和全面的概述。

光学谐振器大致可以分为如下几种不同的类型：

a）法布里-珀罗腔（FP cavity）

b）回音壁模式腔（WGM cavity）

c）光子晶体腔（Photonic Crystal cavity）

d）等离激元共振（Plasmonic Resonance）

e）混合腔体（Hybrid Cavities）

图3: 不同光学谐振器的原理图

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

1. 法布里-珀罗腔在光伏和光催化中的应用

法布里-珀罗腔可以由两面镜子或者折射率由高至低的交界面组成，法布里-珀罗腔可以操纵腔内的电场分布进而调制腔内材料的吸收。与此同时，腔内材料的吸收被增加，腔内的光损失减少。正是因为法布里-珀罗腔容易与器件集成，容易控制反射带，容易优化厚度等优点，法布里-珀罗腔可以在提升光伏和光催化的转换效率中扮演重要的作用。

图4: 法布里-珀罗腔的光伏应用

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

2. 回音壁模式腔在光伏和光催化中的应用

在回音壁模式结构中，内部结构比外部结构具有更高的折射率。因此，光被圆形结构边界处的全内反射所限制。当限制光同相返回到同一点时，就实现了谐振驻波。回音壁模式腔的优点有极高的品质因素，可以直接被光伏活性物质制成，同时容易控制其尺寸。

图5: 回音壁模式腔的光伏应用

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

3. 光子晶体腔在光伏和光催化中的应用

光子晶体腔由在一维、二维、三维空间具有周期性的介电常数变化的结构组成，光子会在结构中形成“能带”，而在带隙中光会被反射从而被限制在结构中。在光子晶体的带隙边缘，光子态密度会急剧增加从而增加光与物质的作用。同时，光子在带隙边缘具有极低的群速度，被称为“慢光子”。所以，光的利用率大幅增加。

图6: 光子晶体腔的光伏应用

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

4. 等离激元共振在光伏和光催化中的应用

与传统的光学腔体不同，表面等离激元通常被认为是没有腔的光学共振器。其具有独特的光学特性：高消光截面、超小的模式体积和无衍射限制。由于这些原因，光捕获和光散射的高能力已广泛应用于光伏和光催化。除了等离子体的光学效应外，热载流子在光伏和光催化设备中也发挥着重要作用。等离子体非辐射衰变产生的热载流子不仅增强了载流子的产生，而且也增强了电荷的空间分离。

图7: 等离激元共振的光伏应用

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

5. 混合腔体在光伏和光催化中的应用

不同的腔体类型具有独特的优点与缺点 ，只要设计得当，混合腔体可以有机地融合他们之间的优点。例如，FP 和 WGM 腔之间的耦合可以在 FP 腔内提供更好的光学 3D 限制的共振。此外，等离子体共振和 其他光学腔体之间的耦合表现出许多有趣的特征，比如强耦合。而这些混合腔体在光伏和光催化中也逐渐开始起到重要的作用。

图8: 混合腔体的光催化应用

图源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

针对不同的结构和具体应用，可以根据不同光学谐振器的特点进行选择。所以，光伏和光催化器件的外量子效率，吸收效率，能量转换效率等重要参数都可以被光谐振器大幅增加。

当然，腔体谐振器在光伏和光催化领域依然面临了许多挑战，特别是转向真正的工业应用，集成和可扩展性。现今基本上大部分的研究还停留在了概念证明阶段。

我们要提到的另一个关键问题是，迄今为止展示的大多数腔增强型光电器件都没有充分利用谐振效应。这是因为大多数光子谐振器仅增强与其谐振模式相吻合的窄带宽。然而，大多数光催化和光伏器件需要在宽光谱范围内进行吸收和共振，因此，光模与太阳光重叠的有源区域通常非常低。所以，腔谐振对输出功率的贡献仍然有很多潜力可以挖掘。

随着先进的腔体设计、制造技术和活性纳米材料的快速发展，我们预计腔体增强光伏和光催化将继续蓬勃发展，并为科学和工业开辟新的机遇。

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文章来源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组