CN105103035B - 包括由超材料制成的组件的光学二极管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学二极管，包括圆偏振分束器、第一圆偏振器和第二圆偏振器。该圆偏振分束器被布置成接收至少部分非偏振光以及输出沿着第一光路的右旋圆偏振光和沿着第二光路的左旋圆偏振光。该第一圆偏振器被布置在第一光路上并且透射右旋圆偏振光以及反射左旋圆偏振光。该第二圆偏振器被布置在第二光路上并且透射左旋圆偏振光以及反射右旋圆偏振光。

Description

包括由超材料制成的组件的光学二极管
技术领域
本公开涉及光学二极管和光伏器件。本公开还涉及超材料，更具体而言，涉及光学超材料。本公开还涉及液晶，更具体而言，涉及胆甾型液晶。各实施例涉及圆偏振器和圆偏振分束器。本公开的进一步的实施例涉及用于提高光伏器件的效率的超材料组件或层，或超材料层的组合。
背景技术
全球光伏(PV)发电能力在2007年和2010年间增长了五倍，达到35万千瓦，其中75％的发电能力可在欧洲获得。今天大多数的PV技术基于晶体硅(Si)晶片，其中有机的PV主要被视为遥远未来的选项。尽管硅有效地吸收大部分的可见光范围(350-600纳米)内的太阳光，但它在600-1100纳米之间表现较差。为了补偿这种弱吸收，大多数PV电池单元(cell)具有在200-300nm之间的Si晶片厚度，并且通常被称为“光学厚”吸收器。另外，通常利用锥体表面纹理以在宽的角度范围内散射入射光，从而增加了光电池单元的有效路径长度。
然而，因为需要更多的材料和处理，这些方法都对PV电池单元的基本成本有显著影响。此外，对于厚太阳能电池单元而言，光载扩散长度相对较短，且因此从半导体结产生出的电荷载流子没有被有效地收集。这就阻碍了PV技术替代传统化石燃料技术用于发电。可以使PV电池单元的成本降低至少两倍的任何技术发展将是该行业的一场直接的革命。这样的发展可以通过增加太阳能电池单元的吸收效率，从而使得随着光载电流收集一起发生几乎完全的光吸收来实现。
为了增加的效率迄今已经研究了利用等离子体光子学(plasmonics)的一些技术，其目标在于创建具有1-2微米(μm)厚度的薄膜太阳能电池单元。例如，通过用20-100nm直径的金属纳米颗粒来掺杂半导体材料，该颗粒可充当入射太阳辐射的亚波长散射元件或近场耦合器，从而增加有效散射截面。
另一种方法涉及将入射太阳辐射耦合到表面等离子体激元(SPP)，表面等离子体激元是沿金属和电介质的界面行进的电磁波。这种SPP耦合例如可以通过使太阳能电池单元的金属背表面起皱来实现。在所有这些情况下，半导体材料中的吸收需要比金属中的等离子体损失更高仍然是主要挑战之一。然而，对于超过800nm波长的太阳能而言这些损失变得显著。
应当强调的是，增强弱有损型材料的吸收效率提供双重优势，因为不仅可以使用较少量的吸收材料而且吸收材料也可以是低质量的，从而在两种情况下降低器件的总成本。
本公开的一些实施例涉及使用超材料和基于超材料的配置来解决这些问题。
超材料是人造材料，其可以实现自然界不存在的电磁属性，比如负的折射率或电磁隐身。虽然超材料的理论特性是在1960年代首次描述的，但是在过去的15年里对于这些材料的设计、加工和制造已经有显著的发展。超材料通常由大量的单位电池单元，即多个单独的元素(有时被称为“超原子”(meta-atom))构成，其各自具有比操作波长小的尺寸。这些单位电池单元在微观上由诸如金属和电介质之类的常规材料构成。然而，它们的确切形状、几何形状、尺寸、取向和布置可以在宏观上以一种非常规的方式影响光，诸如产生谐振或不寻常的针对宏观介电常数和导磁率的值。
可用超材料的例子有负折射率超材料、手征性超材料、等离子体超材料、光子超材料，等等。由于它们的亚波长性质，在微波频率下操作的超材料具有几毫米的典型单位电池单元大小，而在光谱的可见光部分中操作的超材料具有几纳米的典型单位电池单元大小。一些超材料也固有谐振，即，它们可以在某窄频率范围内强烈吸收光。
对于常规材料，诸如磁导率和介电常数之类的电磁参数产生于构成该材料的原子或分子对穿过其的电磁波的响应。在超材料的情况下，不在原子或分子级确定这些电磁属性。相反，这些属性是由对构成超材料的更小物体的集合的选择和配置来确定的。虽然物体的这种集合以及其结构在原子级“看上去”不像常规材料，但是超材料还是能够被设计成使得电磁波如同其通过常规材料那样通过。此外，因为可从这种小(纳米级)的物体的成分和结构确定超材料的属性，故而可以在非常小的尺度上准确地调谐超材料的电磁属性(诸如介电常数和导磁率)。
超材料的一个特定分支是等离子体材料，其支持电荷在金属的表面以光学频率振荡。例如，金属(诸如银或金)自然表现出这些振荡，从而导致在这个频率范围内的负介电常数，这可以被用来生产新型器件，诸如纳米级分辨率的显微镜、纳米透镜、纳米天线和隐身涂料。
发明内容
本公开的各方面在所附的独立权利要求中被限定。
本公开详述了使用由圆偏振实现的效果的光学二极管的设计。更具体而言，本公开涉及超材料和液晶，且尤其涉及胆甾型液晶。值得注意的是，本公开的各实施例可以形成为层，并且可以容易地并入常规器件(诸如光伏器件)以增强性能。
附图说明
现在将参照附图描述本公开的各实施例，其中：
图1示出了根据本公开的光学二极管和光伏器件的示意性布局；
图2是根据各实施例的包括光学二极管的平面光伏器件的示意图；
图3示出了当右旋圆偏振光入射时平面光伏器件中的模拟场分布；
图4示出针对有和没有根据本公开的光学二极管的图2的模拟结构的耗散功率的比较；以及
图5示出了根据各实施例的圆柱形光伏器件。
在各附图中，相同的标号指示相同的部分。
本公开的各实施例涉及由光学辐射实现的效果。术语“光学”和“光”在本文中用于指可见光、近红外和中红外波长。即，350nm至8微米范围内的电磁辐射。
各实施例还涉及光伏器件，但从下面的详细描述中可以理解的是根据本公开的光学二极管可以适用于其中光的单向透射和/或光的单向反射是有利的全范围的应用。
各实施例还涉及超材料或液晶，但从下面的详细描述中还可以理解的是根据本公开的光学二极管可以由其它非超材料或液晶组分形成，诸如有所述的功能的可商购偏振器和偏振分束器。
具体实施方式
概括而言，提供了一种光学二极管，其透射一个圆偏振但反射相对的圆偏振。即，光学二极管透射一个圆偏振，但反射另一个圆偏振。各实施例利用圆偏振光在反射之际反转其偏振的现象的优势。即，例如，反射使得右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光。有利的实施例通过利用允许光的非可逆传输的超材料结构来实现光在光伏材料中的增强吸收。在进一步的有利的实施例中，超材料结构由胆甾型液晶(CLCS)形成。
CLC由在空间中沿某方向形成螺旋及周期性结构的液晶分子构成。CLC螺旋的螺距可以被调整以反射沿着其轴线传播的在某频率范围内的圆偏振光，该螺距通常是几百纳米的量级。可以利用CLC的这一有趣属性来制造可调谐光学二极管。发明者利用这一概念来实现显著的增强。
图1示出了包括根据本公开的光学二极管的器件。
更详细地，图1示出了在共同光轴上的以下组件的有序排列：抗反射涂层101；根据本公开的光学二极管103；以及光伏器件105。光学二极管103包括圆偏振分束器107，其具有与抗反射涂层101对准的输入。光二极管103还包括：与圆偏振分束器107的第一输出对准的右旋圆偏振器109，以及与圆偏振分束器107的第二输出对准的左旋圆偏振器111。光伏器件105包括与右旋圆偏振器109的输出以及左旋圆偏振器111的输出对准的光伏材料或吸收性材料113。太阳能电池单元还包括与光伏材料113的输出对准的反射器115。反射器115反射光的所有偏振。
在操作中，抗反射涂层101被布置成接收诸如非偏振光的第一光151(例如，太阳光)。抗反射涂层101输出的第二光153。
光学二极管103具有一输入和两个输出。光学二极管的输入被定位成接收第二光153。更具体而言，光学二极管103的圆偏振分束器107接收第二光153。圆偏振分束器107在空间上将第二光153分成右旋圆偏振(RCP)光155和左旋圆偏振(LCP)光157。更具体地，圆偏振分束器107输出第一光路上的RCP光155和第二光路上的LCP光157。
RCP光155被右旋圆偏振器109接收。右旋圆偏振器109被布置成透射右旋圆偏振光和反射左旋圆偏振光。右旋圆偏振器109因此透射第二RCP光159，该第二RCP光159形成光学二极管103的第一输出。
LCP光157被左旋圆偏振器111接收。左旋圆偏振器111被布置成透射左旋圆偏振光和反射右旋圆偏振光。左旋圆偏振器111因此透射第二LCP光161，该第二LCP光161形成光学二极管103的第二输出。
第二RCP光159和第二LCP光161被光伏材料113接收，该光伏材料113是光伏器件105的光活性组件。没有被光伏材料113吸收的任何光，即第三RCP光163和第三LCP光165，在反射器115处经历第一反射。第一反射将光发送回光伏材料113中，在此当光第二次传递通过光伏材料113时可以发生进一步的吸收。然而，并非第二次传递上的所有光被光伏材料113吸收。在此情况下，光将传递通过光伏材料113并再次到达光学二极管103。
各组件被光学对准，使得被反射器115反射(第一反射)且在第二次传递之后没有被光伏材料113吸收的任何第二RCP光159都被右旋圆偏振器109接收。同样地，各组件被光学对准，使得被反射器115反射且在第二次传递之后没有被光伏材料113吸收的任何第二LCP光161都被左旋圆偏振器111接收。
值得注意的是，圆偏振光的圆偏振的方向(sense)由普通的反射逆转。因此，第三RCP光163在第一反射后成为左旋圆偏振光。任何再次通过光伏材料113的这种光由此被右旋圆极化器109反射(即经历第二反射)，因为右旋圆偏振器109反射左旋圆偏振光。因此，RCP光159的一部分作出经过光伏材料113的第三次传递。事实上，可以理解RCP光159的一部分实际上可以在反射器115处的第三反射之后作出经过光伏材料113的第三次传递。
同样地，第三LCP光165在第一反射后成为右旋圆偏振光。任何再次通过光伏材料113的这种光由此被左旋圆极化器111反射(即其经历第二反射)，因为左旋圆偏振器111反射右旋圆偏振光。因此，LCP光161的一部分作出经过光伏材料113的第三次传递。事实上，可以理解LCP光161的一部分实际上可以在反射器115处的第三反射之后作出经过光伏材料113的第三次传递。
因此，提供了一种光学二极管，其包括：分束器，该圆偏振分束器被布置成接收至少部分非偏振光以及输出沿着第一光路的右旋圆偏振光和沿着第二光路的左旋圆偏振光；布置在第一光路上的第一圆偏振器，其中第一偏振器被布置成透射右旋圆偏振光以及反射左旋圆偏振光；以及布置在第二光路上的第二圆偏振器，其中第二偏振器被布置成透射左旋圆偏振光以及反射右旋圆偏振光。
因此，可以理解的是，光学二极管用来将在其他情况下会逸出系统的光重新定向回到光伏材料中。因此，更多的第一光151被光伏材料转换成电流并随后被转换成电压。以另一种方式看这个，光伏材料的有效路径长度增加，因为一些光可以作出经过光伏材料第三次和第四次传递。因此，可以增加光伏器件的效率。
总之，LCP波入射在该器件的入口上。例如，该波可以以600nm沿该方向传播。只要光学二极管透射左旋圆偏振光，此波将几乎完全透射通过该器件，并且将以相同的偏振方向出现在其出口处(即，LCP波)。取决于光学二极管之后的光伏材料的吸收强度，发射功率的一小部分将被吸收，而其余的将反射离开在该器件端部处的反射器。反射器将反转波的偏振方向，从而产生在相反方向上传播的RCP波。再次，反射波的相当一部分将在它传播朝向光学二极管时被光伏材料吸收。然而，RCP波现在将光学二极管认作反射器，并且大部分的功率将被反射回光伏材料中。
根据各实施例的器件的进一步的示意显示在图2中，其中太阳能电池单元材料(吸收器区域)213夹在反射器215和光学二极管203之间，在这一示例中在此包括超材料层(例如，胆甾型液晶(CLC)，其间距被调谐成阻挡某波长范围)。
从上文可以理解抗反射涂层是可任选地。在另一个实施例中，入射非偏振光直接入射到光学二极管103、203上。
在各实施例中，各偏振器包括诸如超材料或液晶几何形状之类的材料，这种材料与普通反射不同，并不反转反射的偏振方向。在这些实施例中，由于系统是线性的和无源的，RCP波出于因果关系的原因不得不在从光学二极管反射之后再次保持其偏振方向。在该第二轮的吸收之后，大部分剩余的能量离开该器件。相比存在于自由空间中而没有根据本公开的光学二极管的器件，这显著地增加了吸收的能量。
在一实施例中，偏振器和/或偏振分束器由超材料形成。即，在各实施例中，圆偏振分束器、第一圆偏振器和第二圆偏振器中的至少一个包括光学超材料，其中光学超材料包括具有尺寸不大于至少部分非偏振光的波长的周期成分。
在一实施例中，周期成分包括材料元素的阵列。在进一步的实施例中，该阵列是二维的。材料元素的大小和/或材料元素的间距可任选地是亚波长的。即，在一个实施例中每种材料元素具有不大于所述至少部分非偏振光的波长的第一尺寸。在一实施例中，第一尺寸在1纳米(nm)和8微米(μm)之间，可任选地在1nm和100nm之间。在一实施例中，相邻的材料元素之间的间距在1纳米(nm)和8微米(μm)之间，可任选地在1nm和100nm之间。
在一实施例中，材料元素由基底媒质支撑。例如，至少一种材料元素可以：至少部分地被基底媒质包围；位于基底媒质中或基底媒质的表面上；和/或至少部分地嵌入基底媒质。在一实施例中，基底媒质是诸如硅或二氧化硅的电介质。
在一实施例中，材料元素是等离子体。即，在一实施例中，材料元素包括具有负介电常数的材料元素。在一个实施例中，材料元素被布置成以至少部分非偏振光的波长谐振。
在一个实施例中，材料元素是金属的，可任选地选自包括以下的组中的至少一个：金、银和氧化铝。
在一个实施例中，圆偏振器包括由银制成的材料元素的平面二维阵列。材料元素是棒，且具有20nm的宽度、100nm的长度和10nm的厚度，并且相邻的元素间隔开50nm。
然而，本领域技术人员应当理解，其它大小和材料可被用于提供本文中所公开的效果。例如，该材料元素可以是在光学频率处的任何等离子体材料并且可具有1-500纳米的大小。相邻材料元素可以间隔开5-500nm。材料元素可以是椭圆体、长方体、球形、平行六面体，或成群的这些的组合。
在各实施例中，相应的左旋圆偏振器由相同但经旋转的材料元素形成。
在有利的实施例中，材料元素是细长和有取向的，或者相对于彼此“倾斜的(pitched)”，以提供光学效果。在一实施例中，材料元素是液晶的分子。在一实施例中，超材料包括胆甾型液晶或在螺旋配置中分别定向的细长材料元素的阵列。即，细长材料元素绕入射光的传播轴旋转。
相应材料元素的取向的方向确定偏振器的偏振方向。例如，相同的材料元素可以被用来形成左旋圆偏振器和右旋圆偏振器，然而细长元素的旋转方向将不同。例如，材料元素可以各自被安排成形成左手螺旋或右手螺旋。
在一实施例中，光学二极管包括胆甾型液晶(CLC)。在一实施例中，CLC厚1.8μm(光的传播方向上的长度)，具有螺距为p1＝315nm的左手螺旋。CLC具有n1o＝1.50的寻常折射率和n1e＝1.75的非常折射率。CLC层可以被假设为使其光轴(其本地指向矢)在x-y平面内，但其取向取决于它们沿着晶体的长度的位置。单轴局部张量在本地坐标系中可以被写成：
此处且其中z0是晶体的起始边缘的位置。在这一实施例中，光学二极管的总厚度(光的传播方向上的长度)是1.8μm，并且与域(domain)的z轴(光的传播方向)对准。图3示出当入射辐射被右旋圆偏振时，图2中所示的平面器件的模拟结果。更具体而言，图3示出根据本公开的在光伏材料413和单个反射偏振器410中的场分布。入射光波长在自由空间为500nm，并且用相对介电常数ε＝3*(1-j tanδ)来建模吸收材料，其中tanδ＝0.01。该圆偏振器由胆甾型液晶组成。在此示例中，假定该结构相比于在X和Y方向上的波长(垂直于传播方向)非常大。为了得到入射波的改善的可视性，该模拟域包括1μm长的空气部分。吸收层是具有等于ε·(1-j tanδ)的相对介电常数的1μm厚的材料，其中损耗正切tanδ可以变化以模拟具有不同吸收强度的材料。
在各实施例中，胆甾型液晶由大小为1μm到1mm且间距为100nm到8μm的羟丙基纤维素(hydroxypropyl cellulose)或胆甾醇苯甲酸酯(cholesteryl benzoate)制成。
在另一个实施例中，超材料偏振器包括胆甾型与向列型液晶的混合物。在有利的实施例中，该混合物为70-90％(可任选地是80％)的胆甾型液晶，以及相应地30-10％(可任选地20％)的向列型液晶。
发明人已经发现，相比存在于自由空间中而没有光学二极管的器件，根据本公开的光学二极管显著地增加了吸收的能量。一些示例结果示于图3和4，其中可以看出，除了非常有损型材料，引入光学二极管使材料吸收的能量的量翻倍。该方案是宽带，因而对于在电磁频谱的显著部分遭受弱吸收的现有光伏器件(特别是，半导体太阳能电池单元)而言是理想的。
在其他实施例中，光学二极管包括多个超材料层。在各实施例中，光学二极管被应用于更加复杂的系统，该系统由包含许多不同材料的多个光伏层或吸收层组成。在这种情况下，根据本公开的光学二极管当被放置成紧接在现有光伏装置之后时增强吸收效率。
在一实施例中，光学二极管包括包含多层胆甾型液晶的超材料。有利地，光学超材料基本上是平面的。因此，可以形成分层设备并且分层技术可以被用于制造。进一步有利地，平面光学二极管可容易地与现有的光伏器件耦合。值得注意的是，在各实施例中，光学二极管是无源的。即，它不需要外部电源或控制系统。
在有利的实施例中，可能理解，第一光路基本上平行于第二光路。
图1示出包括两个圆偏振器的实施例。但是，技术人员将认识到，光学二极管同样适合于增加圆偏振光的效率。即，在各实施例中，光学二极管仅针对一种圆偏振起作用。
因此，提供了一种光学二极管，其包括：圆形偏振分束器，该圆形偏振分束器被布置成接收至少部分非偏振光以及输出沿着第一光路的右旋圆偏振光和沿着第二光路的左旋圆偏振光；布置在第一光路上的圆偏振器，其中第一偏振器被布置成透射一个方向的圆偏振光以及反射其他方向的圆偏振光。
然而，在有利的实施例(诸如，图1中所示的那个实施例)中，为了提供不依赖于入射光的偏振的增强，第二光学二极管(但具有与第一光学二极管相比相反的取向)应被放置在现有的一个光学二极管的旁边(横向于入射光的传播方向)。传入的非偏振光在到达每个二极管之前可以首先使用诸如摆线衍射波片(CDW)之类的设备被分为左圆偏振和右圆偏振。即，在一个实施例中，圆偏振分束器由摆线衍射波片形成。但是，本领域技术人员将理解，其他圆偏振分束器可以是同样适合的。这一设备(其也可由胆甾型液晶制成)具有将非偏振光拆分成两束相反的圆偏振的能力，该两束相反圆偏振也在CDW后的不同位置离开。这一原理增强针对两个偏振的吸收效率，并且因此也增强针对非偏振光的吸收效率。
在各实施例中，CDW包括沿垂直于光传播方向的平面旋转的液晶分子，即这些分子的光轴在材料元素层的平面内旋转。在一实施例中，这些分子包含液晶材料的椭圆分子，诸如偶氮苯或肉桂酸酯。该层的厚度一般在10nm到10μm之间，并且通常小于取向图案的空间周期。在各实施例中，CDW是使用诸如摄影光控取向之类的技术制造的。
根据本公开的光学二极管可以被容易地并入光伏器件中和被改装到现有的光伏器件中。可以理解的是，因此还提供了一种光伏器件，包括：根据本公开的光学二极管；光伏材料，该光伏材料被布置成接收第一光路和第二光路上的光；以及反射元件，该反射元件被布置成接收由吸收元件透射的光和将光重定向回到光学二极管。
根据本公开，本领域技术人员将理解，任何光伏组件都可以是适合的。例如，在一实施例中，光伏组件由选自包括以下的组中的至少一个形成：硅、锗、砷化镓和碳化硅。在其他实施例中，光伏组件是碲化镉或铜铟镓硒/硫化物。可以从本公开理解其他半导体可以是同样适合的。
图5示出其中光伏器件被布置成圆柱形几何形状的实施例。
图5的器件具有方位对称性，并且可以通过使图2中的一维器件围绕其边缘(反射器的左边缘所在的位置)旋转360°来形成。向内传播的圆偏振柱面波可以被垂直地定向到器件的表面，即，在冲击表面它们由以下表达式描述：
此处是与器件外表面正切的单位矢量，z垂直于x-y平面且从纸面出去。
晶体指向矢(director)在这种情况下在实验室坐标系的θ平面内。每个CLC层的介电张量是在应用两个旋转后在实验室坐标系内计算的。第一旋转是沿二极管的径向长度达角度的旋转。现在沿r方向而不是沿着z方向测量每个二极管的长度。在x-y平面内发生达角度θ＝tan-1(y/x)的第二旋转。因此，CLC层的介电常数张量的表达由下式给出：
器件可以沿z方向被任意地延长，或者用与二极管/偏振器相似但具有相反旋向性的器件替换，使得相反的偏振的波被吸收。与适当的圆偏振分束器(如图1所示)耦合的这对二极管可以吸收所有入射偏振。
因此，可以理解的是，在一实施例中，反射元件是圆柱形的并且光伏材料和光学二极管被布置为围绕该反射元件的圆柱层。
在一实施例中，光伏器件是太阳能电池单元。
根据本公开的光学二极管、超材料和/或液晶可以通过电子束光刻、聚焦离子束光刻、剥离工艺或其它光刻技术来制造。这些技术可被用于形成具有本文所公开的亚波长参数和特征的组件。
尽管各实施例涉及圆偏振(包括圆偏振器和圆偏振分束器)，但可以理解的是，本公开的各实施例可同样适用于椭圆辐射。同样地，本公开同样适用于布置成提供椭圆或线性偏振或偏振分束的超材料，如本文所定义。即，在一实施例中，提供了一种光学二极管，包括：偏振分束器，该偏振分束器被布置成接收至少部分非偏振光以及输出沿着第一光路的第一偏振光和沿着第二光路的第二偏振光；布置在第一光路上的第一偏振器，其中第一偏振器被布置成透射第一偏振光以及反射第二偏振光，并且其中第一偏振器是超材料。
有利的是，根据各实施例的光学二极管和光伏器件可以用作现有类型的太阳能板或光伏电池单元的添附组件。具体而言，该系统可以被改装在现有光伏器件(诸如太阳能板)中。该系统是无源的，即它不需要外部电源或有源控制系统。
尽管已经描述了各方面和各实施例，但是可以作出不脱离本文中所公开的本发明构思的变体。

Claims (33)

1.一种光学二极管，包括：
圆偏振分束器，所述圆偏振分束器被布置成接收至少部分非偏振光以及输出沿着第一光路的右旋圆偏振光和沿着第二光路的左旋圆偏振光；
布置在所述第一光路上的第一圆偏振器，其中所述第一圆偏振器被布置成透射右旋圆偏振光以及反射左旋圆偏振光；以及
布置在所述第二光路上的第二圆偏振器，其中所述第二圆偏振器被布置成透射左旋圆偏振光以及反射右旋圆偏振光。
2.如权利要求1所述的光学二极管，其特征在于，所述圆偏振分束器、第一圆偏振器和第二圆偏振器中的至少一个包括光学超材料，其中所述光学超材料包括具有尺寸不大于所述至少部分非偏振光的波长的周期成分。
3.如权利要求2所述的光学二极管，其特征在于，所述周期成分包括材料元素的阵列。
4.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述阵列是二维阵列。
5.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素是等离子体。
6.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素包括具有负介电常数的材料。
7.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素是金属的。
8.如权利要求7所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素选自包括以下的组中的至少一个：金、银和氧化铝。
9.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素被布置成以至少部分非偏振光的波长谐振。
10.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，每种材料元素都具有不大于所述至少部分非偏振光的波长的第一尺寸。
11.如权利要求10所述的光学二极管，其特征在于，所述第一尺寸在1nm和8μm之间。
12.如权利要求11所述的光学二极管，其特征在于，所述第一尺寸在1nm和100nm之间。
13.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，相邻的材料元素之间的间距在1nm和8μm之间。
14.如权利要求13所述的光学二极管，其特征在于，相邻的材料元素之间的间距在1nm和100nm之间。
15.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素由基底媒质支撑。
16.如权利要求15所述的光学二极管，其特征在于，至少一种材料元素至少部分地被所述基底媒质围绕。
17.如权利要求15所述的光学二极管，其特征在于，至少一种材料元素位于所述基底媒质中或所述基底媒质的表面上。
18.如权利要求15所述的光学二极管，其特征在于，至少一种材料元素至少部分地嵌入所述基底媒质。
19.如权利要求15所述的光学二极管，其特征在于，所述基底媒质是电介质。
20.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素由细长的。
21.如权利要求3所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素是液晶的分子。
22.如权利要求21所述的光学二极管，其特征在于，所述分子各自被取向成形成胆甾型或螺旋形布置。
23.如权利要求21所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素是胆甾型液晶与向列型液晶的混合物。
24.如权利要求23所述的光学二极管，其特征在于，所述材料元素是80％的胆甾型液晶、20％的向列型液晶的混合物。
25.如权利要求22所述的光学二极管，其特征在于，所述分子绕入射光的传播轴旋转。
26.如权利要求2所述的光学二极管，其特征在于，所述超材料包括多层胆甾型液晶。
27.如权利要求2所述的光学二极管，其特征在于，所述光学超材料基本上是平面的。
28.如权利要求1所述的光学二极管，其特征在于，所述光学二极管是无源的。
29.如权利要求1所述的光学二极管，其特征在于，所述第一光路基本上平行于所述第二光路。
30.如权利要求1所述的光学二极管，其特征在于，所述圆偏振分束器由摆线衍射波片形成。
31.一种光伏器件，包括：
如权利要求1到30中的任一项所述的光学二极管；
光伏材料，所述光伏材料被布置成接收所述第一光路和所述第二光路上的光；以及
反射元件，所述反射元件被布置成接收由光伏材料透射的光和将光重定向回到所述光学二极管。
32.如权利要求31所述的光伏器件，其特征在于，所述光伏材料是选自包括以下的组中的至少一个：硅、锗、砷化镓、碳化硅、碲化镉和铜铟镓硒/硫化物。
33.如权利要求32所述的光伏器件，其特征在于，所述反射元件是圆柱形的并且所述光伏材料和所述光学二极管被布置为围绕所述反射元件的圆柱层。
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