近些年,低维结构光电转换器件如纳米线电池及二维材料器件因其独特的光电等性质而备受关注,有望在新一代柔性化、微纳化及可穿戴化光电器件中发挥重要作用。然而当前还存在着对低维结构光电器件内在物理机制的研究不够充分,低维光伏器件的光电转化效率(PCE)相对较低,二维材料光电探测器(2DMPDs)高响应增益背后的物理机制不能被量化分析等问题。本论文针对这些问题,从基本的光与物质相互作用及半导体方程出发,深入探索低维光电器件内部新机理,建立精确的光电耦合模型,并基于此开发设计兼具高效光吸收性能和电学响应的微纳光电转换器件。本论文取得的主要研究成果如下:(1)二维材料光电探测器高增益机制的量化分析:2DMPDs因其独特的优点如超高的光响应度而引起广泛的关注。然而,耦合光吸收、电输运和半导体材料特性的器件级模拟仍然具有挑战性,并且高响应度背后物理机制的定量分析还相对较少。本研究通过耦合电磁响应和空间及频域/时域的载流子输运,实现对2DMPDs的器件级多维光电模拟。深入探究并揭示光电探测器运行机制、内部光电理论、半导体陷阱效应、光电模拟方法等。量化陷阱效应并将之引入模型,以重现对响应增益的实验观测。该仿真为探索此类新型器件的基础科学和内在工作原理提供了便利的平台,可有效指导器件开发和实验制备。(2)一维纳米线光伏器件光电性能优化设计:针对单纳米线太阳电池的PCE相对较低的问题,从光学和电学两方面提出两种设计提升器件PCE。提出对称破缺的前开口月形截面氢化非晶硅(α-Si:H)单纳米线太阳能电池(SNSCs)的设计。通过电磁和载流子输运计算,综合评估了前开口月形α-Si:H SNSCs系统的光电性能。由于改进的阻抗匹配条件和增强的光学天线效应,该设计获得增强且具有良好角响应的宽带光吸收。电学模拟预测其PCE可达15.70%,与圆形结构相比提高了43.77%。进一步地,考虑到现有SNSCs的PCE仍受低运行电压的限制,提出径向串联氢化微晶硅(μc-Si:H)(核)/α-Si:H(壳)SNSCs设计。对核壳电池光吸收的谐调性进行探究以实现串联电池电流匹配。研究表明,电流匹配条件下核与壳半径存在良好的线性关系,这非常有利于设计电流匹配及优化的串联SNSCs。考虑载流子复合损耗,对该器件进行精确的光电耦合模拟,发现串联电池的PCE由于开路电压的增大而提升了～34%。(3)二维材料范德瓦尔斯异质结光伏器件研究:原子层厚度的过渡金属二硫系化物(TMDs)由于其独特的光电性能而备受关注。然而,目前实验报道居多,高性能的器件级光电模拟却鲜有报道。本研究实现了针对新型二维范德瓦尔斯异质结光伏器件的光电仿真,详细模拟了器件的光捕获行为和极薄pn结的电输运行为。深入揭示了这种新型原子层异质结独特的载流子运行机制。该光电模拟为研究超薄光电器件的多域响应提供了一种简便的方法。在此基础上,设计了一个由上表面银纳米棒阵列和背部银反射层组成的金属微腔结构来增强二硫化钼(MoS2)/二硒化钨(WSe2)单层pn结的陷光能力,结果表明器件的短路电流密度(Jsc)与PCE分别从原本的2.5 mA/cm2和1.13%提升到 5.21 mA/cm2和2.42%;进一步地,提出将超薄膜光学干涉理论应用于新型高质量二维材料中以增强多层二维材料异质结的光电转化能力。首先从基础物理、光子操纵、光学性能优化以及光电转换应用等方面,对由强吸收介质和金属背反射器组成的超薄膜系统的干涉效应进行综合研究。然后构建一个超薄MoS2/WSe2(厚度小于20 nm)异质结/银衬底光伏应用系统。在AM1.5G太阳照射下,该系统的Jsc和PCE达到20 mA/cm2和9.5%,相比于传统的二氧化硅(SiO2)衬底系统提高了约200%。总体而言,本学位论文针对纳米线光伏及二维材料光电转换器件建立了器件级光电仿真模型,深入探究了低维光电转换器件的内在新机理,提出了多种优化设计方案增强器件光吸收及电学响应。该器件级仿真可有效指导低维光电转换器件开发和实验制备,高效促进其在高集成化微纳结构光伏领域及高性能光探测领域的发展与应用。