光电器件在生物传感、太阳能利用、热光伏等领域具有重要的用途。随着纳米技术的发展,光电器件趋于集成化和小型化,光电器件中的微/纳尺度热科学问题日益突出,热辐射特性对光电器件的性能至关重要。在光电器件中存在大量的微/纳尺度热辐射问题亟待解决,比如太阳能的高效利用、热辐射器的辐射特性调控、热电利用和航天器热控等。由于在微/纳尺度热辐射过程中,会产生多种近场效应,如表面等离子激元、微腔效应、磁极化和相干辐射等,无法利用传统的热辐射理论来处理光电器件中的微/纳尺度热辐射问题。因此,需要对光电器件中的微/纳尺度热辐射问题进行深入的认识、了解和研究,进一步实现微/纳尺度热辐射特性的调控,为光电器件的设计和应用提供有效的理论指导。本文设计了光电器件微结构表面,揭示了光电器件表面的热辐射特性调控机理,分析了结构参数、入射角、偏振态等对光电器件热辐射特性的影响,建立了光电器件热辐射特性调控方法,为高效光电器件的设计及其应用提供了理论指导。具体内容包括以下几个方面:1.磁极化效应的物理机理研究金属/介质/金属光栅结构被广泛的应用于热辐射器、发光二极管、红外探测器等光电器件中。磁极化效应是发生在金属/介质/金属光栅结构中的一种共振现象,这种共振会产生等方性的微结构表面热辐射特征,但是其中的物理机理尚存在争议。我们利用严格耦合波方法计算了金属/介质/金属光栅结构的辐射特性,同时利用色散关系和等效LC回路分别预测了金属/介质/金属光栅结构的共振频率,并将预测结果和金属/介质/金属光栅结构的辐射峰位置进行对比,分析了磁极化效应的物理机理,讨论了结构参数对金属/介质/金属光栅结构辐射特性的影响规律,计算了不同结构尺寸下电磁场在微结构表面中的分布,进一步验证了磁极化效应的物理机理。2.等方性窄带辐射器热辐射特性研究窄带辐射器是一种在生物工程、传感器、能源利用领域具有重要用途的光电器件。表面等离子激元、Fabry-Perot共振和微腔效应均可以用来实现窄带辐射,而等离子激元和Fabry-Perot共振引起的窄带辐射是角度相关的,微腔效应引起的窄带辐射在一定角度范围内是等方性的。目前,微腔效应都是利用金属腔体微结构表面来实现窄带辐射特性,实现等方性热辐射的角度范围还不够宽。基于微腔效应,我们提出了一种周期性的微结构表面,用掺杂硅材料代替腔体侧壁的金属材料,实现了等方性的红外窄带辐射,通过改变腔体结构的尺寸,可以调整窄带辐射峰的位置,这种结构表面等方性热辐射的角度比金属腔体结构表面更宽。3.等方性钙钛矿电池的设计方法研究太阳能电池是能源利用领域的一种重要的光电器件。钙钛矿电池作为一种新型的太阳能利用元器件,具有转换效率高,制作成本低的优点,因而备受关注。增加电池的光子捕获是提高电池效率的前提。为了实现钙钛矿电池等方性的强吸收,设计了5种不同的钙钛矿电池表面结构,利用时域有限差分方法计算了 5种电池表面结构的辐射特性,通过联合求解泊松方程、连续性方程和扩散方程得到电池的电学特性,通过比较5种具有不同表面结构的钙钛矿电池的辐射和电学特性,选择最优的结构表面,研究了结构尺寸对电池性能的影响,分析了入射角和偏振对钙钛矿电池辐射特性和电学特性的影响规律,从而建立了等方性钙钛矿电池的设计方法。4.光伏-热电系统的宽光谱等方性热辐射特性调控方法研究实现宽光谱等方性的辐射特性,对太阳能的全光谱利用具有重要意义,在保证光伏电池工作波段高吸收的前提下,提高红外波段的透过率,使红外波段的能量进行热电利用,可以有效提高光伏-热电复合系统的能源转换效率。针对光伏-热电复合系统,利用蛾眼结构和薄膜的减反特性,设计了宽光谱等方性辐射特性调控的结构表面,建立了宽光谱等方性辐射特性调控的理论模型,利用时域有限差分方法计算了微结构表面的反射率、透射率和吸收率,讨论了结构参数对宽光谱辐射特性的影响,分析了入射角和偏振对宽光谱辐射特性的影响。5.光伏-热电系统的宽光谱等方性热辐射特性控制实验研究针对光伏-热电复合系统的辐射特性要求,设计了微结构表面,利用等离子刻蚀技术、碱液刻蚀技术和磁控溅射技术制备了微结构表面样品,利用扫描电子显微镜观测了制备的样品的表面形貌,分析了刻蚀时间、刻蚀气体流量、刻蚀功率对样品表面形貌和光谱特性的影响,利用分光光度计测试了制备的样品在不同的入射角和偏振光下的辐射特性。