寬波段的光吸收增強機制

1、寬波段的光吸收增強機制摘 要 完美的電磁波吸收器件可以吸收所有的入射電磁場并且不會有任何的反射和透射，在很多應用中都起著非常重要的作用。而太陽光譜中可見光和近紅外波段的吸收增強就顯得更為突出了。一般而言，都是利用半導體材料吸收太陽光而直接實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，但由于吸收譜波長范圍常常只是局限在很短的一個區(qū)間，所以太陽光的利用效率往往都不是很高。基于這個原因，很多的研究者都設法去找到一種材料或設計一種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬波段的吸收增強，也確實有了一些很好的工作。本文將介紹先前一些有關寬波段的光吸收增強的工作，從而了解材料或物質(zhì)結(jié)構(gòu)對光吸收增強的機制。一、引言 我們都知道半導體或絕緣體在近紅外、可見光波段或紫外波

2、段有一個吸收邊。吸收邊對應著材料中的能帶結(jié)構(gòu)中光躍遷的帶隙，當入射的電磁波能量與帶隙寬度相等時，材料將會吸收入射的電磁波，而較低能級上的電子將躍遷到較高能級，如圖1。這就是傳統(tǒng)意義上的帶間吸收，這種帶間吸收可以在所有的固體材料中觀察到。而由于固體材料的能級結(jié)構(gòu)限制，往往一種吸收體只能吸收某一非常有限波段的電磁波。這對于有如太陽光利用等問題起到了非常嚴重的限制。 隨著太陽能光伏等產(chǎn)業(yè)的興起，太陽光的利用效率的提升一直成為制約太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個關鍵因素。而寬波段的光吸收增強可以有效提高太陽能的利用效率。除了利用半導體材料直接將太陽能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，其他一些有效的方法就是先利用太陽能產(chǎn)生熱能，然后通

3、過又如熱電材料1、高損耗的金屬或納米材料2再將熱能轉(zhuǎn)換為電能。 近年來，微納光學和微納結(jié)構(gòu)的加工技術得到了迅猛的發(fā)展。超材料，新奇結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為構(gòu)建良好的吸收器件提供了新的途徑3,4。本文將主要介紹一些寬波段光吸收增強的特殊結(jié)構(gòu)，從而了解光吸收增強的機制，為之后尋找更為有效的電磁波吸收器件提供一定的參考。圖1. 帶間吸收示意圖（初態(tài)為：電子占據(jù)態(tài)，末態(tài)為：空穴占據(jù)態(tài)。）二、寬波段光吸收增強舉例 1、用于寬波段吸收增強的等離激元薄膜型太陽能電池的設計5 Ref5中提出通過在Si薄膜表面的SiO2設計一層一維周期Ag光柵結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示，由圖2（b）（c）（d）比較可以看出，微納光柵結(jié)構(gòu)有明顯

4、的場增強作用，使光聚集在光柵附近，有利于激發(fā)載流子吸收。通過計算，這種結(jié)構(gòu)相對于單層硅薄膜電池的短路電流可以提高43%。圖2.一維Ag光柵太陽能電池（a）太陽能電池單元結(jié)構(gòu)（b）單層硅磁場分布（c）650nmTM模的分布（d）505nmTM模分布 這種結(jié)構(gòu)同時利用了兩個優(yōu)勢：（1）微納結(jié)構(gòu)周圍的近場極其接近表面的等離激元的共振頻率，（2）光柵陣列的優(yōu)化使得Si薄膜支持波導的有效耦合。在表面等離激元共振頻率附近，這些光柵陣列可以有效的集中光線。這是對于增強載流子的吸收最為關鍵的一點。文中還討論了太陽能電池單元結(jié)構(gòu)中的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對于最后結(jié)果的影響。 2、石墨烯中寬波段相干光學吸收增強6 自從石墨

5、烯發(fā)現(xiàn)以來，由于其優(yōu)越的光電性質(zhì)一直備受科學家們青睞。但由于石墨烯沒有帶隙結(jié)構(gòu)，其對于電磁波的吸收一直困擾著研究者們。Mingsheng Xu6等人提出了一個四層結(jié)構(gòu)的裝置，如圖3可以顯著地增強可見光波段的光吸收，這種結(jié)構(gòu)不依賴與入射光的偏正狀態(tài)，吸收增強主要由于層結(jié)構(gòu)中的干涉和耗散。 圖3. 多層石墨烯寬波段吸收裝置 圖4.不同層石墨烯的吸收譜線（上-下：10、5、1） 文中利用散射矩陣的方法，分析了石墨烯層厚度以及入射角和入射光波長與光吸收的關系。入射光在介質(zhì)中傳播，可以看成是在多層石墨烯中的散射問題，通過局域在多層石墨烯中的多次反射，使得多層石墨烯中產(chǎn)生共振激發(fā)，從而起到增強吸收的作用。

6、實質(zhì)上，石墨烯層厚度的改變可以改變石墨烯層的有效折射率，使得入射光能在石墨烯與基底層發(fā)生全內(nèi)反射，從而使透射減弱；另一方面，在多層石墨烯中的光線經(jīng)過散射，將從不同的角度透射出去，需要強調(diào)一下，用于耦合入射光的棱鏡折射率高于多層石墨烯的有效折射率，文中由于入射角度選取在臨界角附近，這就使得通過散射之后必然有大部分光線在上表面也發(fā)生全發(fā)射，進一步使反射減弱，基于這兩個因素，實現(xiàn)了在多層石墨烯可見光波段的吸收增強，如圖4。 3、較大晶格常數(shù)硅納米線陣列用于寬波段的光吸收增強7 半導體納米結(jié)構(gòu)一直被認為是下一代太陽能電池很有潛力的體材料，主要是因為更高的能量轉(zhuǎn)換效率以及較低的成本8,9。硅基半導體有很

7、多突出的特點，一方面自然界有豐富的硅原材，無污染，另外已經(jīng)有了很成熟的集成加工技術。其他研究者也報道過垂直分布的硅納米線陣列呈現(xiàn)出低的反射率以及較強的寬波段吸收10-12。 Ref7中提出了一種垂直分布的的SiNW陣列結(jié)構(gòu)，如圖5，太陽光從上至下垂直入射，并利用傳輸矩陣的方法計算了SiNW陣列結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)在100nm到600nm的光學性質(zhì)。文章指出,固定輸入速率時，增加SiNW陣列的晶格常數(shù)可以增強太陽光譜低頻部分的光吸收。比較有意思的是，對于合適的晶格常數(shù)和輸入速率，SiNW陣列總的吸收效率比等厚的硅薄膜甚至覆蓋有單層抗反膜等厚硅薄膜的吸收效率還要高。在250nm以下，雖然波導的共振模不會被

8、激發(fā)，但因為這種情況下光強比較集中在陣列附近，吸收效率也得到了比較明顯的增強；當波長在250nm以上時，波導中的共振模式得到激發(fā)，可以進一步使吸收得到增強。文中闡述了光吸收與晶格常數(shù)和輸入速率以及入射角的關系，如圖6、圖7，進一步優(yōu)化了光學吸收。圖5. （a）SiNW納米線陣列垂直分布示意圖，（b）單個納米線剖面圖 圖6. SiNW陣列隨晶格常數(shù)變化的吸收譜 圖7. SiNW陣列不同輸入速率下的轉(zhuǎn)換效率 基于SiNW陣列在之后的研究中，是否在SiNW陣列覆蓋一層抗反射的薄膜，或后向反射光子晶體，以及等離激元激發(fā)能夠進一步增強光吸收也引起了很多研究者的興趣13-16。4、通過相干光捕獲實現(xiàn)在薄膜

9、型光伏器件上的寬波段吸收增強17 光伏產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，使其與傳統(tǒng)能源相比，主要源自其可再生，無污染，一直得到國家層面的支持。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，太陽能在能源結(jié)構(gòu)中的占比還不到0.5%。這就意味著太陽能較傳統(tǒng)能源行業(yè)還沒有真正地占有者核心的競爭力，要想突破這一壁壘，必須能夠進一步地降低單位產(chǎn)能（）的生產(chǎn)成本。而實現(xiàn)這一點，一方面需要盡可能多的提高太陽能的利用率；另一方面，還要繼續(xù)完善工藝，最大化的降低工藝、生產(chǎn)成本。 我們都知道，利用幾何型朗伯散射可以有效地將光線捕獲在預定的活性層里，增加活性層中的光子密度，從而可以有效地提高光子的吸收幾率18。這種方法是基于光線光學的統(tǒng)計詮釋，所以往往要求活性層要足夠

10、厚，一般是遠遠大于波長的18?？紤]到成產(chǎn)成本，薄膜型太陽能器件中的活性層厚度一般與波長相當，甚至較波長還要小19-21。圖8.光電器件示意圖（a）透明電極上的朗伯散射（b）無抗反射覆蓋層（c）透明電極上覆有抗反射層（d）諧振增強腔中透明電極上覆有高反射鏡 將入射光強記為，吸收的光強記為，在理想的介質(zhì)中傳播時，有，其中介質(zhì)中的吸收系數(shù)，為光線在介質(zhì)中傳播的有效距離。Ref17中利用如圖8.（d）中所示的結(jié)構(gòu)，上下兩層分別是反射率極高的反射鏡和金屬，構(gòu)成了一個微腔，在腔內(nèi)有透明電極和吸收層，前者不僅可以收集光電轉(zhuǎn)換后的電子，另一方面還提供了朗伯散射的條件。這種情況下，光線來回在活性層中傳播，很機敏

11、地在薄膜層中實現(xiàn)了有效傳播距離的增加，很好的將光線都局限在活性層中，大大增加了活性層的光子密度，當然可以有效提高光的吸收。三、總結(jié)和展望 本文主要在第二部分介紹了四種寬波段光吸收增強的方法。第1小部分中，介紹了利用金屬光柵型表面等離激元來增強吸收，這種結(jié)構(gòu)下，光線可以較好的局限在光柵附近，從而可以有效增強光的吸收。第2小部分中，很獨特地解決了石墨烯上的光吸收問題，利用散射矩陣的方法求解了石墨烯層的有效折射率，并根據(jù)有效折射率優(yōu)化石墨烯吸收關系，提出了多層石墨烯增強效果優(yōu)于單層石墨烯。第3小部分中介紹了垂直型SiNW陣列納米線結(jié)構(gòu)吸收裝置，利用傳輸矩陣的方法團討論了晶格常數(shù)及輸入速率對于光吸收的

12、影響。第4小部分介紹了薄膜型太陽能器件的吸收增強，利用朗伯散射和增加有限傳播距離的方法較好實現(xiàn)了光吸收增強。 總的來說，要實現(xiàn)寬波段的光吸收增強，一方面是利用共振吸收，即帶間吸收的原理，這個時候一般對應于某一個波長的吸收增強；另一方面，可以設法提高吸收層的光子數(shù)密度，使光線局域在吸收層里，可以大大增加光子的吸收幾率。我們可以發(fā)現(xiàn)，上面的幾個例子，甚至是先前的大部分工作，其實都是設法提高吸收層的光子數(shù)密度，從而提高光子吸收的幾率。從另一方面來看，其實都不是直接地可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，只是將光子捕獲在吸收層里面，可以很大程度提高“光線”的吸收，而不是“光子”的吸收，也就是說光電轉(zhuǎn)換效率其實還沒有明顯的

13、提高。我想，能不能在同一個裝置中同時提高光線和光子的吸收效率，或者說將上面幾種結(jié)構(gòu)中吸收層替換成可以快速吸收大能量范圍的光子的活性材料。當然，應該很多研究者們都在致力于解決這些難題，隨著研究的進一步深入，不久的將來，這些難題應該都能迎刃而解！參考文獻：1 Kraemer D, Poudel B, Feng H P, et al. High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentrationJ. Nature materials, 2011, 10(7): 532-538.2

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