光子设计：从基础太阳能电池物理到计算逆设计

光子创新在现代世界中日益重要。光学系统正在主导越来越短的通信距离，LED在各种应用中迅速涌现，太阳能电池显示出成为能源领域主流技术的潜力。对新型、节能的光子和光电器件的需求只会增加。本工作将基础物理学和一种新颖的计算逆设计方法结合起来，以实现这种创新。论文的前半部分致力于高效太阳能电池的物理原理。随着太阳能电池接近基本效率极限，其内部物理发生变化。光子考虑（而非电子考虑）是达到最高电压和效率的关键。适当的光子管理使得Alta Devices最近将太阳能电池效率记录大幅提升至28.3%。此外，要接近任何太阳能电池技术的Shockley-Queisser极限，光提取必须成为所有未来设计的一部分。论文的后半部分介绍了逆设计作为光子学中一种新的计算范式。一系列技术（FDTD、FEM等）已经能够快速准确地模拟“正问题”，即给定几何结构找到场。然而，科学家和工程师通常更感兴趣的是逆问题：对于期望的功能，需要什么几何结构？回答这个问题打破了正问题的重点，并在计算光子学中开辟了一条新路径。形状演算的框架使得能够快速找到优越的、非直观的设计。提出了用于光学隐身和亚波长太阳能电池应用的新颖设计。