本文总述了运用光学谐振器增强光伏和光催化的理论和试验开展。本文为第二部分。
依据周期标准，PC可分为1D、2D和3D PC。一般，DBR腔被视为一维光子晶体，由于它们具有具有不同折射率的一维周期介质资料。在曩昔几年中，Yu等人报导了根据1D-PC的半通明太阳能电池。1D-PC的长处之一是在不改动活性层厚度的情况下可规划反射波长。Moon的团队进一步展现了一种高功用半通明光伏器材，该器材运用具有双波段吸收的发光太阳能转化器（LSC）。图6a显现了一个活络的LSC-DBR组合示例，该组合具有超卓的光学特性操控。经过规划薄膜厚度或折射率对比度，DBR反射率能够很容易地改动。
从一维到二维，Bauser等人经过运用由高折射率电介质棒和孔组成的二维PC板，演示了一种具有90%以上光捕获功率的发光太阳能转化器（图6b）。由于Purcell效应诱导了较大的部分态密度（LDO），量子点的PL量子产率得到了进步。图6c中的另一个示例展现了运用2D-PC纳米盘阵列的高效钙钛矿太阳能电池，该阵列是经过纳米球光刻制作的。在2D-PC结构中发现了强光散射和光学束缚，导致钙钛矿层中的光搜集功率更高。经过在器材顶部和底部涂覆PC，EQE以及输出和输入光子通量密度的比率都明显增强（图6d）。
与传统的光学微腔类似，SPR还供给光定位和扩大。在曩昔的十年中，人们报导了许多运用等离子体纳米颗粒改进太阳能电池功用的尽力。2012年，Wang等人研讨了金纳米粒子对太阳能电池功用的潜在机制，如图7a所示。光致发光和器材电流密度都标明，活性资料有必要与等离子体纳米颗粒别离，以防止猝灭效应。这一结果标明，SPR效应并不能在一切情况下改进太阳能电池的功用。
2018年，Kim等人提出了由对齐的银纳米线网络和纳米粒子组成的等离子体通明电极，以进步OSCs功用（图7b）。由LSP和传达SPP之间的耦合发生的混合形式供给了大的近场增强，改进了OSC中的光吸收。图7c显现了经过无机半导体外壳和有机封盖壳的bishell概念，以最小化涣散在活性层中的裸金属纳米颗粒引起的淬火。猝灭效应是由偶极-偶极相互作用和电荷堆集机制引起的激子猝灭。
图画结构的运用，实践上为器材规划和器材功用改进供给了更多的自由度。例如，各向异性结构与半导体衬底的集成在红外中发生偏振相关的窄带/双带光电流呼应。后向散射也能够运用图画化纳米结构进行调制，有助于削减入射光的能量丢失并增强太阳能电池的功用。另一方面，空隙等离激元腔能够经过两个金属层之间的空隙距离中的磁共振或元电介质界面处的传达外表等离激元有效地将入射光与半导体层耦合。因而，gap等离子体能明显增强吸收，有利于光伏运用。Voroshilov等人证明，能够经过运用充任集光器和散射体的纳米天线来进步OSC的功率（图7d）。
混合腔由于其多功用和高功用，在太阳能电池中显现出宽广的远景。在图8a中，Zhong等人提出了一种根据等离子体FP混合微腔的五颜六色半通明OSC，以一起完成高PCE和高透射率。在这种结构中，金/银电极充任反射光的镜子，其间金纳米粒子嵌入WO3距离层中以支撑共振形式。经过调整距离层的厚度，传输峰值能够相应地改动。Shen等人也进行了类似的作业。尽管现已展现了两种类型的光学谐振器，但在这些研讨中未发现耦合效应。比较之下，Sun等人经过运用周期性波长标准波纹中的强耦合效应开发了一种高效的双结OSC（图8b）。由于SPR和FP共振形式之间的强耦合，频谱显现出共同的反穿插特征，导致吸收带内的强场增强。事实上，FP腔和LSPR之间的强耦合有助于完成紧凑的光伏吸收器，经过它能够挨近太阳能电池的理论极限。还提出并证明了具有FP腔形式的电介质结构中的耦合Mie谐振可进步全体吸收功用和扩展作业带宽。
纳米结构的共同规划也能够增强太阳能电池内部的共振效应。例如，Lieber等人制作了具有特殊光伏功用的多晶核多壳纳米线c）。这种六边形纳米线支撑FP和WGM形式，然后发生更高的电流密度和PCE。此外，试验和模仿中的EQE峰值方位与FP和WGM吸收形式十分共同。2018年，Guo等人介绍了一种由堆积有金纳米粒子的TiO2纳米管PC层组成的结构（图8d）。当SPR带与PC带隙重合时，PCE增强最大。这一结果标明，SPR和PC不只能够进步光搜集功率，并且两个国际之间的耦合也对输出功率起着要害作用。
最终，咱们介绍了一些其他类型的太阳能电池，它们也运用了光学谐振效应。2016年，Mariano等人展现了一种由互穿光纤阵列构成的新式导光板，如图9a所示。由于光在波导中的间歇性混沌传达，这种新式结构表现出很强的捕光才能，与平面装备比较，捕光功率进步了30%以上。在这种光纤阵列装备中，最大EQE挨近40%。图9b展现了具有核壳纳米结构的体绝缘拓扑绝缘体。由于介质芯在近红外波长具有超高折射率，因而调查到了等离子体共振和后向散射。经过将这种纳米结构集成到太阳能电池中，完成了15%的光吸收增量。
一般来说，光催化和光电化学分化水的功用取决于两个参数，包含光阳极的捕光才能和电子与空穴的空间别离。常见的光催化资料，如TiO2和BiVO4，具有较大的带隙，可按捺光吸收。此外，这些资料的高电子空穴复合率束缚了载流子的分散长度。为了处理这些问题，进步光催化功用，光谐振器的光捕获和光操作才能已成为近年来的一个要害问题。在本节中，咱们将要点介绍五种不同类型的光谐振器，它们已运用于光催化和光电化学水分化。
2019年，Ozbay的团队展现了一种光电化学分水电池，该电池根据以金为帽的二氧化钛纳米线，其间Au激起空腔中的FP形式（图10a）。相同，该小组报告了另一种根据FP共振的光电化学分水设备。图10b显现了TiO2反蛋白石构型的夹层结构，也能够以为是FP腔这种夹层结构将光困在顶部和底部的TiO2层之间，使光吸收最大。与单片结构比较，该夹层结构的光电流密度进步了4倍，光催化动力学速度进步了6倍。
2014年，Reimer等人报告了在硅沟槽外表规划的具有六边形圆柱顶级的ZnO微针（图11a）。借助于六角形状的氧化锌针状物，调查到WGMs和强光催化活性。Zhang等人证明了另一项十分重要的作业，他们运用WGM共振在宽带光谱中证明了活性等离子体光催化剂（图11b）。他们的发现标明，WGM共振能够增强等离子体中的光吸收和界面电场。因而，发生的光电流和入射光子电流功率（IPCE）都明显进步。
越来越多的研讨活动致力于开发根据PC腔的光催化，包含1D、2D和3D-PC。关于1D-PC，Santos的团队提出了一个抱负的光催化渠道，该渠道由TiO2功用化纳米多孔阳极氧化铝宽带DBR组成（图12a）。当光子阻带的红边移到可见波长时，光催化功用下降，而当光子阻带的红边坐落有机吸收带内时，光催化功用添加。
2018年，Low等人规划了一种2D光子晶体，以供给慢光子效应来增强光催化活性，如图12b所示。根据TiO2的2D PCs表现出部分外表光热效应，经过进步外表温度来加快光催化反响。此外，3D-PC也是一种很有出路的光催化候选资料。例如，Zhang等人报告了一种用于光电化学制氢的三维结构FTO/TiO2/BiVO4反蛋白石电极，如图12c所示。由于电荷传输和别离功率的进步，光电化学功用明显增强。
近年来，等离子体加快光催化分化水已被广泛报导。在光催化中现已制备和研讨了许多金属纳米颗粒的结构和形状。许多要素有助于光催化功用的进步，包含部分电场的构成、SPR引起的光吸收增强以及载流子生成的改进。2018年，Jeong等人证明了嵌入BiVO4纳米复合光阳极中的银纳米粒子能够进步光催化电流密度，如图13a所示。由于诱导等离子体场倾向于走漏到折射率更高的空间区域，等离子体核壳纳米颗粒比裸等离子体纳米颗粒具有更强的场增强和场束缚。
用于光催化的最盛行的混合腔类型是等离子体PC混合腔。尽管具体架构互相不同，但底层机制类似。例如，图14a显现了一种半导体金属氧化物PC等离子体光催化剂，运用了金纳米粒子功用化的反蛋白石PC。纳米Au纳米颗粒发生的热电子、PC的带隙供给吸收、群速度较慢的光、以及Au与氧化物之间的肖特基势垒是其高效光催化的首要原因。Huang等人报导了另一种风趣的等离子体-光子晶体混合腔结构，如图14b所示。在这种结构中，金-银核壳纳米立方体堆积在介电PC板上。该战略能够将能量转化功率进步1个数量级以上。由于这种混合形式的谐振波长在改动入射角时会发生偏移，因而这种结构具有光谱可调性。
最近，Misawa的团队经过结合FP腔形式和LSPR形式来促进光催化分化水，展现了一项风趣的作业（图14c）。研讨了一种由金纳米粒子/二氧化钛/金膜构成的新式结构，其间顶层的金纳米粒子和底层的金膜别离用作反射器。在不同的TiO2厚度下，色散曲线表现出反穿插行为，这证明了FP形式和等离子体子形式之间的强耦合。因而，取得了激烈的光吸收，然后明显增强了水分化反响。2020年，Yu等人提出了一种TiO2/Au/TiO2结构规划，以运用WGM共振和SPR完成高效光催化，如图14d所示。本研讨的共同之处在于将微生物用作模板，以便于TiO2/Au/TiO2结构的构成。这两种共振形式的组合能够增强光吸收和近场电场。
除了上述光学谐振器外，其他类型的谐振器也能够运用于光催化。Zhao等人在织构衬底上制备了超薄的BiVO4光阳极膜，以进步太阳能分化水的功用（图15a）。除了由金衬底和薄BiVO4层构成的FP腔外，织构化的BiVO4外表膜能够防止光子逃逸。这种织构结构延长了腔内光子寿数，下降了载流子搬运电阻。因而，光电流密度进步了400%以上。2020年，Wang等人经过运用等离子体共振光栅结构证明了PEC电流的巨大增强（图15b）。经过运用活络沟通确定技能，能够丈量金属中热电子发生的小光电流。他们研讨了入射视点相关的光电流，当波矢量与入射光和光栅共振相匹配时，显现出明显的光电流增强。
图15 光催化运用根据其他类型的谐振器。a）顶部：平面和图画结构的示意图。底部：结构的电场散布；扁平结构和纹路结构的电流-电压曲线。b）上图：光栅纳米结构示意图；在p偏振光或s偏振光照明下，光电流随入射角的改变。下图：银光栅纳米结构的电场散布和吸收光谱。
在这篇总述中，咱们全面回忆了光学谐振器的根本机制及其增强光电效应的才能，以及在光伏和光催化范畴的重要运用。评论并展现了从微米到纳米标准的不同光学腔，包含FP腔、WGM腔、PC腔、等离子体和混合腔。每种类型的空腔都有其本身的潜力和最适合实践运用的规划。能够恰当规划各种结构和资料，以进步EQE、光提取功率、吸收功率、光催化功率和功率转化功率。光谐振器在处理光电运用中光吸收和载流子分散之间的内涵权衡方面具有巨大潜力。因而，根据腔的光伏和光催化能够经过改进资料和搜集等其他参数来进一步进步功用。
一般来说，FP腔是最简略和传统的结构，能够很容易地与光电器材集成。最重要的是，整个谐振腔充任有源增益层，在光和谐振腔之间创立全身相互作用。但是，FP腔的两个反射镜之间的对准关于取得最佳谐振十分要害。有源增益层的厚度也十分要害，需求细心规划和评价，以完成更强的耦合效应。WGM空腔运用其球形来完成极高的Q因子。微球WGM特别适用于光催化，由于它们能够直接浸入水环境或流体中。但是，WGM的形式容量极低。与FP腔比较，有源增益资料与球体上的谐振热门之间的堆叠极低。因而，转化功率一般低于其他腔体。
关于PC腔体，能够将其规划成巩固安稳的一维、二维和三维结构。与FP腔比较，构成强谐振不触及对准问题，十分适合于片上器材和集成光子学。但是，大多数PC增强的光伏和光催化依赖于仅坐落带隙边际的慢光子。因而，在大多数情况下，增强不能掩盖所需的悉数光谱规模。等离子体和超外表能够供给强壮的部分电场来增强光电和光催化，但价值是高能耗和低发射功率。与其他空腔比较，等离子体和金属超外表的Q因子被以为十分低。
一种或许的处理方案是将高阶谐振形式，如电/磁四极、环形多极或非辐射回极形式归入体系。关于位移电流鼓励，具有实质上高折射率的电介质超外表能够是处理损耗问题的另一个候选。但是，为了激起高阶形式，有必要更多地考虑激起办法，由于暗形式和远场辐射之间的相互作用要弱得多。为了防止电流搜集的退化，在体系规划和优化期间还应考虑电介质的电子阻隔特性。
因而，混合腔和混合光子谐振器的新式规划能够运用两个腔的优势，并经过两个国际之间的共振形式耦合潜在地发生更大的增强。但是，在大多数情况下，现在这种混合结构的制作相对杂乱且贵重。此外，有必要细心优化参数，以保证不同腔体的组合的确增强了光捕获，而不是按捺共振。等离子体共振是混合腔最合适的谐振器类型。这不只是由于制作便利，并且是由于超小模体积。理论上，能够完成根据三种或三种以上类型腔体组合的混合腔体。但是，需求细心规划空间方位、光谱堆叠和资料等参数，以到达最佳功用。
咱们有必要供认，腔增强光电器材在研讨范畴现已蓬勃开展了多年；但是，其间大多数是概念验证办法。走向真实的工业运用，集成和可扩展性是需求考虑的首要问题。其间，根据FP腔的是最简略的，由于它们本钱低价，制作简略，外表平整。关于根据WGM的空腔，微球或许因不安稳而不适用。超外表在许多方面都十分强壮和可控。但是，制作速度极慢和可扩展性低依然是当今最大的应战。迄今为止证明的大多数腔增强光电器材没有充分运用共振效应的能量。大多数光催化和光伏器材需求在较宽的光谱规模内进行吸收和共振。因而，光学形式与太阳光堆叠的活动区域一般十分低；因而，腔谐振对输出功率的奉献依然十分具有应战性。
接下来，咱们估计光子谐振器能够与更多类型的光伏器材集成，例如生物光伏器材、光电探测器、集光机械器材，或许与单分子层资料结合。特别是，光电探测器与光伏有许多类似之处；但是，光电探测器优化用于光检测，而光伏优化用于能量转化功率。经过将光活性层单片集成在光学腔中，腔中的光吸收增强是进步光电探测器活络度的原因。最近，许多作业也证明了这一概念，包含WGM和FP腔。光子谐振器的喷墨打印也将加快这些概念向更生物和工业运用的开展。在光催化方面，咱们想象光子谐振器能够经过与生物动力设备、光电化学传感器，特别是人工光合作用相结合，在可持续动力开发中发挥重要作用。跟着先进空腔规划、制作技能和活性纳米资料的快速开展，咱们估计空腔增强光伏和光催化将持续蓬勃开展，并在科学和工业范畴拓荒新的机会。
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