光电转换器件在能源、光电探测、生物传感和医学等领域发挥着至关重要的作用。近年来,随着纳米科技的进步,光电转换器件不断朝着纳米化方向发展。然而,器件小型化导致了光与物质相互作用减弱,降低了光电转换器件的性能。利用纳米光子学原理,引入微纳结构可以有效地控制器件工作过程、增强对光子的操控能力、提高器件的光电转换效率和降低成本。本论文在微纳光伏与热电子光电转换方面做了一系列工作,包括新机理、新结构的科学原理探索、高性能的器件设计以及热电子光电转换的热力学损耗分析和设计策略等。本论文取得的研究成果主要包括以下内容:(1)薄膜太阳电池宽带吸收增强:提出将非晶硅(a-Si:H)层设计成二维光子晶体,增加电池中光学共振密度和强度,使得电池整体对入射光具有近乎理想的吸收。引入适当厚度的中间过渡层解决了由于顶电池与底电池光吸收增强不均衡导致的光电流失配问题,光电转化效率达到了12.67%,相对于平面结构提高了27.72%;为了进一步提高硅(Si)纳米孔阵列(NHs)光伏系统的光吸收效率,本文提出了双直径纳米孔阵列(DNHs)结构。顶层大直径NHs具有较低的有效折射率,实现了纳米结构与空气更好的阻抗匹配;底层小直径NHs增强了腔共振模式;二者共同形成了超宽带吸收增强,与均一直径的NHs相比提高了17.39%。(2)单根纳米线太阳电池(SNSCs)先进微纳陷光结构:提出在核壳结构的Si SNSCs中引入非对称设计,提高了光伏材料和电介质壳层焦点之间的光耦合效率。将核芯的硅适当地远离电介质壳层中心,器件陷光能力在几乎全部电池光谱上得到提升而不会降低载流子收集性能。光生电流密度和光电转换效率相比于传统的同轴包层设计提高~40%;提出将纳米孔谐振腔集成到单根纳米线(NW)中提高光学谐振腔共振强度和对太阳光的吸收能力。不同于对半导体NW传统的形貌调控,非对称纳米孔设计显著地提高了泄漏模的辐射损失而对吸收器光学态密度影响不大。在没有考虑半导体材料体积减少的情况下,非对称纳米孔状单根纳米线太阳光吸收器(SNSAs)光电流密度相对于传统单根NW器件提高了~37.5%。(3)基于表面等离子(SPs)的热电子光电探测:提出基于共型的透明导电氧化物/半导体/金属(TCO/S/M)纳米线阵列热电子光电探测器,实现了接近完美、对入射光偏振不敏感、极窄带的光学吸收和可见到近红外波段可调的光学响应。SPs的共振波长、共振强度和共振带宽可以通过晶格周期和拓扑结构来调节。通过激发局域SPs,在纳米线顶部拐角处引起了强电场聚集和高热电子产生率,器件的光电响应度是平面参考系统的5倍以上。(4)平面热电子光电探测器:提出将TCO/S/M结嵌入两个分布式布拉格反射镜(DBR)和无损的缓冲层中,实现平面微腔结构的热电子光电探测器。在共振波长处,金属吸收高达92%,是没有引入谐振腔的21倍,导致器件无偏压下的响应度提高了一个数量级以上;首次将塔姆等离子(TPs)引入到热电子光电转换中,并对热电子激发之后的瞬态动力学演变到热电子的详细输运过程进行了详细分析。通过在DBR/金属/半导体/金属平面多层系统中激发TPs,入射光强烈地局域在顶部金属和相邻的电介质层之间,导致顶部极薄金属层吸收了超过87%的入射光,在系统中引起了高度非对称的光学吸收和强的单向光电流。此外,这两种平面器件不仅简化了传统基于SPs的系统,还能获得高于金属纳米结构系统的光电响应和红外波段多带光电探测功能。(5)高效热电子光电转换的损耗机制分析和设计策略:由于热电子光电转换过程中各种损耗机制的存在,本质上决定了热电子器件效率很低;此外,热电子器件通常需要利用纳米结构等离子/超材料,这给低成本、大面积制备带来了挑战。在这项研究中,本文系统地探索了热电子器件的根本热力学损失、阐述了导致低光电转换效率的内在物理限制因素以及提供了相应的解决办法、探索了实现高效热电子光电转换的潜在策略。研究表明:较低的光学吸收、电阻耗散、接近均匀的热电子初始能量分布、热电子的快速热化、界面电子转移过程中的动量守恒等是导致热电子光电转换效率极低的关键原因。为显示提高系统性能的可能性,本文提出克服相应物理限制因素的三个实际系统,最终多域优化后的系统外量子效率在近红外波段可达60%以上。