寬波段的光吸收增強(qiáng)機(jī)制

1、寬波段的光吸收增強(qiáng)機(jī)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(chǎng)并且不會(huì)有任何的反射和透射，在很多應(yīng)用中都起著非常重要的作用。而太陽(yáng)光譜中可見光和近紅外波段的吸收增強(qiáng)就顯得更為突出了。一般而言，都是利用半導(dǎo)體材料吸收太陽(yáng)光而直接實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，但由于吸收譜波長(zhǎng)范圍常常只是局限在很短的一個(gè)區(qū)間，所以太陽(yáng)光的利用效率往往都不是很高。基于這個(gè)原因，很多的研究者都設(shè)法去找到一種材料或設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬波段的吸收增強(qiáng)，也確實(shí)有了一些很好的工作。本文將介紹先前一些有關(guān)寬波段的光吸收增強(qiáng)的工作，從而了解材料或物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收增強(qiáng)的機(jī)制。一、引言 我們都知道半導(dǎo)體或絕緣體在近紅外、可見光波段或紫外波

2、段有一個(gè)吸收邊。吸收邊對(duì)應(yīng)著材料中的能帶結(jié)構(gòu)中光躍遷的帶隙，當(dāng)入射的電磁波能量與帶隙寬度相等時(shí)，材料將會(huì)吸收入射的電磁波，而較低能級(jí)上的電子將躍遷到較高能級(jí)，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(jí)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(duì)于有如太陽(yáng)光利用等問(wèn)題起到了非常嚴(yán)重的限制。 隨著太陽(yáng)能光伏等產(chǎn)業(yè)的興起，太陽(yáng)光的利用效率的提升一直成為制約太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。而寬波段的光吸收增強(qiáng)可以有效提高太陽(yáng)能的利用效率。除了利用半導(dǎo)體材料直接將太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，其他一些有效的方法就是先利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱能，然后通

3、過(guò)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(lái)，微納光學(xué)和微納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)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(qiáng)的特殊結(jié)構(gòu)，從而了解光吸收增強(qiáng)的機(jī)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(qiáng)舉例 1、用于寬波段吸收增強(qiáng)的等離激元薄膜型太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)5 Ref5中提出通過(guò)在Si薄膜表面的SiO2設(shè)計(jì)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(chǎng)增強(qiáng)作用，使光聚集在光柵附近，有利于激發(fā)載流子吸收。通過(guò)計(jì)算，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)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(yáng)能電池（a）太陽(yáng)能電池單元結(jié)構(gòu)（b）單層硅磁場(chǎng)分布（c）650nmTM模的分布（d）505nmTM模分布 這種結(jié)構(gòu)同時(shí)利用了兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）微納結(jié)構(gòu)周圍的近場(chǎng)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(dǎo)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(duì)于增強(qiáng)載流子的吸收最為關(guān)鍵的一點(diǎn)。文中還討論了太陽(yáng)能電池單元結(jié)構(gòu)中的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于最后結(jié)果的影響。 2、石墨烯中寬波段相干光學(xué)吸收增強(qiáng)6 自從石墨

5、烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其優(yōu)越的光電性質(zhì)一直備受科學(xué)家們青睞。但由于石墨烯沒有帶隙結(jié)構(gòu)，其對(duì)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(gè)四層結(jié)構(gòu)的裝置，如圖3可以顯著地增強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)與光吸收的關(guān)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(wèn)題，通過(guò)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(qiáng)吸收的作用。

6、實(shí)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(guò)散射，將從不同的角度透射出去，需要強(qiáng)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(guò)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(jìn)一步使反射減弱，基于這兩個(gè)因素，實(shí)現(xiàn)了在多層石墨烯可見光波段的吸收增強(qiáng)，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(qiáng)7 半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是下一代太陽(yáng)能電池很有潛力的體材料，主要是因?yàn)楦叩哪芰哭D(zhuǎn)換效率以及較低的成本8,9。硅基半導(dǎo)體有很

7、多突出的特點(diǎn)，一方面自然界有豐富的硅原材，無(wú)污染，另外已經(jīng)有了很成熟的集成加工技術(shù)。其他研究者也報(bào)道過(guò)垂直分布的硅納米線陣列呈現(xiàn)出低的反射率以及較強(qiáng)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(yáng)光從上至下垂直入射，并利用傳輸矩陣的方法計(jì)算了SiNW陣列結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)在100nm到600nm的光學(xué)性質(zhì)。文章指出,固定輸入速率時(shí)，增加SiNW陣列的晶格常數(shù)可以增強(qiáng)太陽(yáng)光譜低頻部分的光吸收。比較有意思的是，對(duì)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(dǎo)的共振模不會(huì)被

8、激發(fā)，但因?yàn)檫@種情況下光強(qiáng)比較集中在陣列附近，吸收效率也得到了比較明顯的增強(qiáng)；當(dāng)波長(zhǎng)在250nm以上時(shí)，波導(dǎo)中的共振模式得到激發(fā)，可以進(jìn)一步使吸收得到增強(qiáng)。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(guān)系，如圖6、圖7，進(jìn)一步優(yōu)化了光學(xué)吸收。圖5. （a）SiNW納米線陣列垂直分布示意圖，（b）單個(gè)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(jìn)一步增強(qiáng)光吸收也引起了很多研究者的興趣13-16。4、通過(guò)相干光捕獲實(shí)現(xiàn)在薄膜

9、型光伏器件上的寬波段吸收增強(qiáng)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(wú)污染，一直得到國(guó)家層面的支持。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)能在能源結(jié)構(gòu)中的占比還不到0.5%。這就意味著太陽(yáng)能較傳統(tǒng)能源行業(yè)還沒有真正地占有者核心的競(jìng)爭(zhēng)力，要想突破這一壁壘，必須能夠進(jìn)一步地降低單位產(chǎn)能（）的生產(chǎn)成本。而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一方面需要盡可能多的提高太陽(yáng)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(yù)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(xué)的統(tǒng)計(jì)詮釋，所以往往要求活性層要足夠

10、厚，一般是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的18?？紤]到成產(chǎn)成本，薄膜型太陽(yáng)能器件中的活性層厚度一般與波長(zhǎng)相當(dāng)，甚至較波長(zhǎng)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(wú)抗反射覆蓋層（c）透明電極上覆有抗反射層（d）諧振增強(qiáng)腔中透明電極上覆有高反射鏡 將入射光強(qiáng)記為，吸收的光強(qiáng)記為，在理想的介質(zhì)中傳播時(shí)，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(gè)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(lái)回在活性層中傳播，很機(jī)敏

11、地在薄膜層中實(shí)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(dāng)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(qiáng)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(lái)增強(qiáng)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(qiáng)光的吸收。第2小部分中，很獨(dú)特地解決了石墨烯上的光吸收問(wèn)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(guān)系，提出了多層石墨烯增強(qiáng)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(tuán)討論了晶格常數(shù)及輸入速率對(duì)于光吸收的

12、影響。第4小部分介紹了薄膜型太陽(yáng)能器件的吸收增強(qiáng)，利用朗伯散射和增加有限傳播距離的方法較好實(shí)現(xiàn)了光吸收增強(qiáng)。 總的來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)寬波段的光吸收增強(qiáng)，一方面是利用共振吸收，即帶間吸收的原理，這個(gè)時(shí)候一般對(duì)應(yīng)于某一個(gè)波長(zhǎng)的吸收增強(qiáng)；另一方面，可以設(shè)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(gè)例子，甚至是先前的大部分工作，其實(shí)都是設(shè)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(lái)看，其實(shí)都不是直接地可以實(shí)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(shuō)光電轉(zhuǎn)換效率其實(shí)還沒有明顯的

13、提高。我想，能不能在同一個(gè)裝置中同時(shí)提高光線和光子的吸收效率，或者說(shuō)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(dāng)然，應(yīng)該很多研究者們都在致力于解決這些難題，隨著研究的進(jìn)一步深入，不久的將來(lái)，這些難題應(yīng)該都能迎刃而解！參考文獻(xiàn)：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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