Enhanced optical absorption of dye-sensitized solar cells
with microcavity-embedded TiO₂ photoanodes

Professor I-Chun Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 陈奕君教授

We report the enhanced performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs) with microcavity-embedded nanoporous TiO₂ photoanodes. For DSSCs with photoanodes composed of a stack TiO₂ sublayers with microcavity concentrations arranged from low to high on the light illumination path, the short-circuit current density and the conversion efficiency were improved. A pronounced increase in optical absorption and incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency in the long-wavelength region indicated that the enhancement of cell performance was due to the multiple scattering of light by the microcavities and the light confinement by the stack of TiO₂ sublayers with a high-to-low effective index of refraction. The internal resistances and the electron transport kinetics in the TiO₂ were studied by electrochemical impedance spectroscopy. The Nyquist plots of the electrochemical impedance spectra of the DSSCs (Figure 1) indicate that the presence of microcavities does not influence the electron lifetime in the TiO₂ film but does affect the charge transport resistances at the TiO₂/dye/electrolyte. The short-circuit current density and conversion efficiency (Figure 2) were improved by 26% and 20% for the DSSC with photoanode in a trilayer structure made using TiO₂ paste mixed with 2 wt.%, 5 wt.% and 10 wt.% PS microspheres diluted in DI water for the first, second and third sublayers, respectively.

Figure 1

Figure 2

©2012 Optical Society of America
D.-W. Liu, I-C. Cheng, J. Z. Chen, H.-W. Chen, K.-C. Ho, and C.-C. Chiang, “Enhanced optical absorption of dye-sensitized solar cells with microcavity-embedded TiO₂ photoanodes,” Optics Express, vol. 20, No. S2, pp. A168-A176, Mar. 2012

 

Direct Side Pumping of Double-Clad Fiber Laser by Laser Diode Array Through the Use of Sub-wavelength Grating Coupler

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄鼎伟教授

An electron-beam fabricated sub-wavelength grating coupler for direct side coupling of light emission from a high-power laser diode array was studied theoretically and implemented experimentally. A gold-embedded silica-based design for grating coupler was employed to minimize the thermal expansion due to the accumulated heat from light absorption by metal part of the grating coupler. In addition, with the consideration of the backward diffraction loss and the groove wall non-verticality due to fabrication distortion, the grating pitch and groove width were optimized for the highest coupling efficiency. According to the experimental results, the grating coupler is capable of coupling light power up to 21 W from a 976-nm continuous-wave operated laser diode array into the inner clad of a 400-μm-diameter double-clad fiber with an overall coupling efficiency of 50%. Furthermore, a laser diode array side-pumped Ytterbium-doped double-clad fiber laser by using the grating coupler was demonstrated. By fine tuning the slow-axis collimation lens array, the laser pumping scheme can easily be switched between bi-directional pumping and uni-directional pumping. Compared with the uni-directionally pumped fiber laser of the same gain fiber length, the laser slope efficiency of the bi-directionally pumped fiber laser was increased by 18% due to a better gain distribution over the fiber length. Finally, the signal output power of 10 W with a slope efficiency of 61% was achieved for the bi-directional side-pumped fiber laser.

Fig. 1. Schematic diagram of side-pumped Yb-doped fiber laser (a) Bi-directionally pumped Yb-doped fiber and (b) Uni-directionally pumped Yb-doped fiber. FAC represents the fast-axis collimation lens, and SAC represents the slow-axis collimation lens.     Fig. 2. Schematic diagrams of the gold-embedded silica grating coupler with (a) normal incident pump light, and (b) an angle of incident pump light.

Fig. 3 (a) The measured laser signal output power against coupled pump power of bi-directional pumping (square points) and uni-directional pumping (triangular points) schemes, respectively. (b) Laser output spectrum for bi-directional pumping at 1 W (black curve) and 10 W (red curve) output power, respectively.

姓名：马跃峰   指导教授：黄鼎伟教授

摘要

在本论文中，一种狭缝波导结构已被成功运用来解决设计绝缘上硅的波导原件中极化相依性的问题。藉由精确控制狭缝波导的极化相依性，设计出一个由狭缝波导构成，极化不相依的双通道定向耦合器。在垂直/水平狭缝的结构下，原件耦合区域长度可小至23.13 μm / 27.33 μm 并同时达到消光比大于22 dB / 27 dB以及1-dB频宽大于100 nm / 200 nm的绝佳效能。 更进一步的，此极化不相依耦合器，已被应用于实现一个由绝缘上硅狭缝波导所构成、极化不相依的跑道型微环状共振器；并可藉由狭缝波导几何结构的最佳化过程，以于宽带宽范围内维持无极化模态色散的运作。TE与TM二极化模态其频谱响应不仅在操作波长相同，并且于C-band及L-band范围内的共振波长差，在以垂直/水平狭缝结构下可小于0.1 nm / 0.25 nm。此组件的自由频谱范围可以达到大于10 nm，同时组件尺寸可维持小于 30 μm。就目前所知，这是第一个以垂直/水平狭缝波导结构设计的微环状共振器，可以达到如此无极化模态色散的绝佳效能。   图一、由垂直狭缝波导构成之跑道型微环状共振器及其耦合区域截面   图二、由水平狭缝波导构成之跑道型微环状共振器及其耦合区域截面

论文题目：使用奈米结构提升发光二极管之性能

姓名：郑允玮   指导教授：黄建璋教授

摘要

本论文中，我们使用电流导向结构、侧壁奈米柱反射器、以及光子晶体等奈米结构来改善发光二极管之特性。 光子晶体是周期性排列的图样，我们将其应用在组件表面及周围，以提升高阶及低阶模态的萃取效率。图一是包含表面粗化以及周围奈米洞光子晶体的组件新颖结构以及光子晶体的SEM图。 图二为各组件的发光场型图，可以看出侧壁奈米洞结构组件有最佳指向性。因其类似光栅的结构，可以将光衍射或导向至垂直组件表面的方向而被收集。 图一 图二

— 数据提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、陈圣灏 —

电浆：损耗与增益

对于一个小型电浆光放大器而言，要提供足够的增益(gain)，克服损耗(loss)仍是根本的挑战。而近期的研究成果带来了谨慎但乐观的前景。

金属的光学特性在过去十年间已被大量地研究，尽管成功地在研究中以表面电浆波达到极高的光局限性，克服存在于金属之损耗依旧是一根本之挑战，这不但增强了研究人员的决心并引领了相关领域之突破，例如：表面电浆放大器的研究[1, 2]。2012年Jacob Khurgin和Greg Sun两人在Applied Physics Letters发表了一篇对表面电浆放大器(surface plasmon amplifiers)实用性之论文[3]，文中指出，在大部分的系统中(通常具有极强的局限性以及相当高的损耗)只能在极短的光脉冲激发下才有放大的效果；用直观的方式计算在III–V族半导体中的载子浓度(carrier populations)以及金属损耗，推论在此类强局限性之表面电浆放大器使用电注入方式可能并不可行。虽然种种迹象显示克服金属损耗为一重大挑战，然关于金属系统中的增益现象之研究不断地增加，且此领域逐渐崭露头角，显示出研究人员对此仍深具信心。

由于具有高吸收之特性，在光学组件的设计上金属是通常不被列入选择的项目，然而此类自然损耗却是金属最特别的性质，并没有其它材料可以像金属能使得光和电子之间拥有如此好的耦合(couple)特性，事实上对于光波在透明物质(非金属材料)中的行为我们仅能作有限度操控，以致于绕射极限被认为与波长有关，而无法改变其限制。藉由在光学组件中加入金属结构，我们可使用精准的现代制程技术来研究真正影响绕射的因素。早期在电浆领域大多数之研究几乎完全省略了这些损耗，导致对大部分可行的构想都望之却步；如今，研究人员已能普遍接受损耗作为达到某些特殊目的代价，例如超高分辨率成像、奈米尺度聚焦以及几乎毫无自由度限制地对材料设计所需之电磁响应。

在了解Khurgin和Sun提出的问题前，必须先考虑在金属奈米结构中产生光的两个机制：首先是藉由在靠近金属表面的准自由电子的协同振荡储存部分光能。对于表面波而言，和此类电子耦合可以增加光子的动量(减少等效波长)，因此可使其场局域现象更为显著，在表面电浆频率操作下，此现象可达到最强之效果，此时光能平均的分布在金属与介电材料上[4]，对于损耗在所有金属中被视为最低的贵金属，其电浆频率(蓝~紫外光)完全根据金属以及周围介电材料之介电系数(permittivities)决定。而第二个机制则是利用在金属与介电材料之界面上，介电材料的电荷对可自由地和邻近之金属表面上的电荷产生交互作用，在具有较小曲率半径或是相邻距离较小之金属奈米结构上被发现：在长波长操作下可更显著地产生较强的场局限性，其损耗被认为小于在电浆频率下之操作。上述的两种机制在相互作用下会使得电浆频率产生大幅红移现象，例如：半径约为10 nm之奈米银小球可在绿光下产生共振现象。

Khurgin和Sun强调金属损耗的大小是目前对于研究电浆放大器所面临之最大挑战，特别是在于光波频率下损耗以及局限性都相当地强，注意到表面电浆的生命周期(life time)大概约为电子的碰撞周期(collision time~10^-14 sec [5])。虽然此类激发周期非常地短，Ma等人发表了室温下操作于此范围内之表面电浆半导体激光[6]，他们利用短的光波脉冲激发此组件；但若使用电激发(electrical pumping)之方式可能需要10⁶A cm^-2的阀值电流密度(threshold current density)才有办法达成需求。第一个在室温操作的同质接口二极管激光因为较差的载子局限性约需大于10⁵ A cm^-2的阀值电流密度，且为了避免损坏而选用了脉冲式注入之方式操作；而目前的双异质接口二极管 激光则约需10³ A cm^-2的阀值电流密度。上述例子说明了Khurgin和Sun所提出的观点：由于高注入电流密度所造成之损害将会对表面电浆放大器产生极严重的限制条件，同时也指出如此一来便限制了电注入式的表面电浆放大器在三个维度达到奈米等级的光局限性(也就是操作在电浆频率下)之可能性。现有的应用实例为使用染料分子作为增益材料的金奈米颗粒激光组件[7]，其阀值电流密度(调整至前述所需之阀值电流密度)接近10⁷ A cm^-2。

操作在非电浆频率之范围下，依旧可藉由表面电荷在金属奈米结构上的行为，在两个维度上控制其损耗而达成较佳之光局限性。Hill和其工作团队即成功展示了可以电注入方式操作并于通讯波段范围(波长约1550 nm)下使用的表面电浆激光[8] (如图一)。研究中Hill等人使用金属平板夹住90 nm宽的半导体材料形成一个三明治结构以提供较强的场局限性，但不幸地，此组件无法操作在室温下，且在10 K的低温操作下阀值电流密度仍需2×10⁴ A cm⁻²(前文中提到Ma等人的研究在室温下操作期阀值电流密度约在10³-10⁷ A cm⁻²)，虽然和Khurgin和Sun得出的结果一致，但仍无法明确解释为何金属损耗在此波长操作下应比在可见光操作下较低，然而阀值电流依旧居高不下之原因。Khurgin和Sun将其中之差异归因于光的局限现象加速了在半导体内自发性载子复合(spontaneous carrier recombination)行为。

现今自发性放射与光子能态的关系被认为与电子能态相同，Purcell首先提出可藉由利用腔体作局限或回授(feedback)以调整光子能态[9]。例如前文提到的Ma等人便可达到18倍的Purcell增强系数(Purcell enhancement factor) [6]，Khurgin和Sun计算在局限下的表面电浆可达到100倍的Purcell增强系数，其结果与实验一致[10]。尽管在放大器中会提高为了提供足够的增益以及维持居量反转(population inversion)所需的电流密度，但因为可使得某些自发过程产生的发光亮度提升，像是荧光或拉曼散射，故Purcell效应带来的增强往往有着高度的需求。一般而论，Purcell效应所产生的损耗并不对 激光造成问题，往往激光必须当阀值激发超过损耗时才会产生(而其速率大约是自发性复合的10的次方倍)，同时Purcell效应也带来了许多益处，例如可将自发性放射引入所需的 激光模态并可降低阀值条件，这也是为何电浆激光可以成功被使用的原因[11]。

综观上面所提及的论点，有哪部份是我们可以抱持着信心的呢？在发展微型化激光的过程中很容易忽略掉某些重要的优势，从电浆 激光的研究中我们可以得到一些新的点子来解决过去存在的问题。举例而言，波长尺度的激光在室温环境下进行连续电子注入下变得可行，即便这些组件并不完全比绕射极限小[12]，但金属在此条件下扮演了三个重要角色：作为电极、散热器以及共振器。当临界电流密度接近10⁵ A cm⁻²时，仍有许多事情有待克服，但通往微型化的路已被开启。我们也必须注意到电浆放大器如今可允许光在奈米尺度下被产生且被维持住，这就是当初发展电浆(plasmonics)相关研究最原始的动机，也就是光在电浆放大器中所具有的独有特性是我们想要去寻求作为利用的[1]—而这部分的疑问至今尚未被广泛地研究。

金属损耗的大小以及Purcell效应的作用在电浆放大器以及电浆激光这两个逐渐崭露的研究领域为主要的探讨重点，尽管如此，或许当我们能够回答「到底电浆放大器对什么是有用的？」的时候，我们便可以找到解决方式解决Khurgin和Sun所提出的问题，而这依旧尚待解决。考虑以微型化激光作为积体光路组件，直接以电子注入是最为重要的，且前文中提的难处依旧限制着我们突破绕射的障碍。然而当我们寻求如何利用光在奈米结构中的独有性质时，对于多数的应用而言，光激发可能是一个可行的方式，在此同时，不论是否是在通讯光电路中可以得到更紧密的光源排列(藉由微型化的激光光源)，或开辟了全新通往奈米感测研究的途径，亦或是给了我们更进一步地了解光和物质的交互作用，这些新展露且振奋人心的领域可望为量子电学与光子学带来新的可行性与新的知识。

参考文章：
[1] Oulton, R. F. Mater. Today 15, 592–600 (January/February 2012).
[2] Berini, P. & De Leon, I. Nature Photon. 6, 16–24 (2012).
[3] Khurgin, J. B. & Sun, G. Appl. Phys. Lett. 100, 011105 (2012).
[4] Wang, F. & Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 97, 206806 (2006).
[5] Johnson, P. B. & Christy, R. Phys. Rev. B 6, 4370–4379 (1972).
[6] Ma, R.-M. et al. Nature Mater. 10, 110–113 (2010).
[7] Noginov, M. A. et al. Nature 460, 1110–1112 (2009).
[8] Hill, M. T. et al. Opt. Express 17, 11107–11112 (2009).
[9] Genov, D. A. et al. Phys. Rev. B 83, 245312 (2011).
[10] Gontijo, I. et al. Phys. Rev. B 60, 11564–11567 (1999).
[11] Ma, R.-M. et al. Laser Photon. Rev. http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201100040 (2012).
[12] Ding, K. et al. Phys. Rev. B 85, 041301 (2012)