一种提高宽谱光吸收效率的复合结构的制作方法
【专利摘要】一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，其所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；所述吸收层是在非金属材料表面的周期性三角槽内填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜形成光子晶体结构；所述反射层是在非金属材料底端面的随机三角槽表面涂覆金属材料。本复合结构实现了覆盖近紫外至红外波段内的高效、宽带、宽角度太阳能的吸收增强，且在红外波段超过了Yablonovitch极限，同时也实现了吸收层表面的三角槽内以及由吸收层表面的三角槽和反射层构成的腔内电场的大幅增强，本发明在太阳能电池、光电检测、军事隐身等方面具有很大的应用前景。
【专利说明】一种提高宽谱光吸收效率的复合结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种由吸收层和反射层构成的复合结构，特别是一种含光子晶体结构和随机金属三角槽反射结构，以提高宽谱光吸收效率的复合结构。
【背景技术】
[0002]实现高效的宽带电磁波吸收在太阳能电池、光电检测、军事隐身等领域是非常重要的。
[0003]1982年，Yablonovitch提出了在均勻半导体薄膜内的光吸收极限。然而，Yablonovitch极限仅适用于几何光学，但在微纳结构中，衍射、反射以及折射共同作用，光吸收可超越Yablonovitch极限。目前，科学家们已经提出了很多含贵金属材料的光耦合结构来实现太阳光吸收的增强，这些耦合结构分周期性和非周期性结构。2009年，Hu等人在结构上层引入周期性排列的方形金属块结构，提高了近红外波段内(lym~5.5Um)多个窄带高吸收(文献 I，Boyang Zhang, Joshua Hendrickson and Junpeng Guo,Mult1-Spectral Near Perfect Metamaterial Absorbers Using Spatially MultiplexedPlasmon Resonance Metal Square Structures, JOURANL OF THE OPTICAL SOCIETY OFAMERICA B-OPTICAL PHYSICS，2013，30 (3):656) ;2011 年，Liu 等人在结构上层引入周期性排列的金属半球壳结构，实现了近红外波段内(I Um?2.6 μ m)双窄带高吸收(文献2，Zhengqi Liuj Peng Zhanj Jing Chen, Chaojun Tang, Zhendong Yanj Zhuo Chen, andZhenlin Wang ， Dual broadband near-1nfrared perfect absorber based on a hybridplasmonic-photonic, Optics Express, 2013, 21 (3):3021-3030) ；2012 年，Sondergaard等人在结构上层引入周期性排列的尖金属凸槽结构，实现了可见光范围内(450nm?850nm)的高吸收(文献 3，Τ.S0ndergaard, S.M.Novikov, Τ.Holmgaardj R.L Eriksenj J.Beermannj Ζ.Hanj K.Pedersen, and S.1.Bozhevolnyij Plasmonic black gold byadiabatic nanofocusing and absorpt1n of light in ultra-sharp convex
Grooves, Nature Commun，2012.3:969)。但由于周期性结构只能实现在共振模处的窄带高吸收，所以为了实现宽带吸收，非周期性结构也受到科学家们很大的关注。2004年，Joachim等人设计了由S1、TC0和金属银反射板构成的賴合结构，且Si的上表面、下表面以及底部金属银表面都具有随机排列的三角槽结构，实现了在可见光范围内UOOrnn?700mn)高效吸收(文献 4，Joachim Muller, Bernd Rechj Jiri Springer, Milan Vanecekj TCOand light trapping in silicon thin film solar cells, 2004.77:917-930) ；2009年，Rahul Dewan等人提出了类似的结构，由透明导电氧化物、Si以及金属反射板构成的耦合结构，且Si的上表面和下表面都具有随机排列的三角槽结构，而底部金属为平板结构，实现了在波长范围300nm?IlOOnm内的较高的量子效率(文献5，Rahul Dewan andDietmar Knippj Light trapping in thin—film silicon solar cells with integrateddiffract1n grating, Journal Of Applied Physics, 2009，106 (7): 074901 )。但这些非周期结构依然存在吸收带宽窄或吸收效率低等问题，而在太阳能捕获、宽带光电检测以及军事隐身等领域，同时提高近紫外至红外波段的宽带、高效的光吸收是很重要的。
[0004]现有公开文献利用一种由吸收层和反射层构成的复合结构，且包含光子晶体结构和随机金属三角槽反射结构，以增强近紫外至红外波段(0.3μπι~10μπι)的宽带光吸收还未见报道。
【发明内容】
[0005]基于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，可实现覆盖近紫外至红外波段的宽带的、有效的、宽角度电磁波吸收，并且在红外波段超过了 Yablonovitch极限。以解决现有结构只在较窄波段内实现光吸收增强且低于Yablonovitch极限的问题。
[0006]为达到上述目的，本发明提供一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，包括金属材料和非金属材料，其特征在于:
所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；
所述吸收层是在非金属材料Si的表面开设有周期性三角槽，并在周期性三角槽内填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜构成光子晶体结构；所述反射层是由非金属材料Si的底端面开设有随机三角槽，并在随机三角槽表面涂覆有金属材料Au构成。
[0007]进一步地，附加技术方案如下:
所述Si的厚度d是10 μ m。
[0008]所述周期T 是:1.8μηι?^Τ?^10μηι。
[0009]所述周期T。d。
[0010]所述吸收层表面的三角槽大于反射层表面的三角槽。
[0011]所述吸收层表面的每个三角槽是对应于反射层表面的多个随机三角槽。
[0012]所述Si表面三角槽高度和底端面三角槽的高度之和小于L。
[0013]所述金属材料Au的厚度t是:t彡lOOnm。
[0014]所述填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜的折射率是1.3-1.77。
[0015]实现上述本发明所提供的一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果如下。
[0016]本复合结构增加了光学路径，从而增强光衍射和散射，实现了很大的光吸收增强，在红外波段光吸收超过了 Yablonovitch极限，对于TM模，在0.3~10 μ m整个波段内平均吸收效率高达85%以上，对于TE模，在0.3-0.7 μ m范围内吸收效率高达90%以上，且TM、TE模对于偏振和角度的变化对整体结构吸收影响不大。
[0017]本复合结构具有明显的场强增强效果，在较短波长范围，电场增强主要集中在吸收层表面的三角槽内，在较长波长范围，电场在吸收层表面的三角槽内和由吸收层表面的三角槽和反射层构成的腔内都有增强，在场强增强的位置添加聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜可进一步增强吸收。
[0018]本复合结构在周期T和Si的厚度d同时增大时，较大幅度地拓宽了光吸收的波段范围，甚至达到0.3~10 μ m，且结构的光吸收效率依然很高。
[0019]本发明所提供的一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，在设计太阳能电池、光学检测、军事隐身等方面有很大的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的结构(结构a)的截面示意图。
[0021]图2是与本发明结构对比的结构b的截面示意图。
[0022]图3是与本发明结构对比的结构c的截面示意图。
[0023]图4是与本发明结构对比的结构d的截面示意图。
[0024]图5是与本发明结构对比的结构e的截面示意图。
[0025]图6是在0.3-2.0 μ m范围内，Au和Si的折射率。
[0026]图7是本发明结构在T从0.5μπι变化到3.0 μ m时，垂直入射条件下TM模在0.3~2.Ομπι范围内的吸收效率。
[0027]图8是本发明结构在T从0.5 μ m变化到3.0 μ m时，垂直入射条件下TE模在0.3~2.Ομπι范围内的吸收效率。
[0028]图9是本发明结构在Τ=1.8μπι，入射角度从O度变化到80度时，TM模在
0.3~2.Ομπι范围内的吸收效率。
[0029]图10是本发明结构在Τ=1.8μπι，入射角度从O度变化到80度时，TE模在
0.3~2.Ομπι范围内的吸收效率。
[0030]图11是Τ=1.8μπι时，结构(a-e)TM模在0.3~2.Ομπι范围内的吸收对比。(a_e)中实线为严格耦合波分析法得到的各个结构的吸收曲线，虚线为有限时域差分法得到的吸收曲线，点线为Yablonovitch极限。
[0031]图12是Τ=1.8μπι时，结构(a-e)TE模在0.3~2.0ym范围内的吸收对比。(a_e)中实线为严格耦合波分析法得到的各个结构的吸收曲线，点线为Yablonovitch极限。
[0032]图13是本发明结构在波长0.4 μ m波长处的TM电场分布图。
[0033]图14是本发明结构在波长1.2 μ m波长处的TM电场分布图。
[0034]图15是本发明结构在波长1.8 μ m波长处的TM电场分布图。
[0035]图16当用一个覆盖0.3~2.Ομπι波段范围的脉冲入射时，图1结构与图5三个典型位置的场强随时间变化的对比:(a)位置在吸收层表面的三角槽内的场强；(b)位置在与反射层距离较远的腔内的场强；(C)位置在反射层表面的随机三角槽附近的场强。
[0036]
具体实施方案
[0037]为使本发明的目的、技术方案以及效果更加清楚，以下结合附图以及具体实施例对本发明的【具体实施方式】作出进一步地说明。
[0038]我们提出了一种由吸收层和反射层构成的复合结构。反射层表面的随机金属三角槽增加了光学路径，从而增强光衍射和散射。通过引入金属随机三角槽，实现了很大的光吸收和电场增强，光吸收甚至超过了 Yablonovitch极限。并且对于TM模和TE模，吸收效率对于偏振和角度变化不敏感。同时在近紫外至红外波段实现高效的吸收。此结构在设计太阳能电池、光电检测、军事隐身等方面有很大的应用前景。
[0039]本发明所提供一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，如附图1所示，采用金属材料和非金属材料，以一个周期为例，其构成在于:所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成；所述吸收层是在非金属材料Si的表面开设有周期性三角槽，并在周期性三角槽内填充聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜构成光子晶体结构；所述反射层是由非金属材料Si的底端面开设有随机三角槽，并在随机三角槽表面涂覆有金属材料Au而构成。
[0040]其中，本发明所述Si的厚度d是:d=2ym。所述周期T是:T=L 8 μ m。表面光子晶体一个周期三角槽对应底部8个不均匀三角槽。所述Si表面三角槽高度和底端面三角槽的高度之和小于L。所述金属材料Au的厚度t是:t=100nm。所述填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜的折射率是1.5。
[0041]图1为本发明提供的一种由吸收层和反射层构成的复合结构，包含非金属材料和金属材料。在非金属材料Si的表面开设有周期性三角槽，并在周期性三角槽内填充聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜构成光子晶体结构；表面光子晶体一个周期三角槽对应底部8个不均匀三角槽，且三角槽都为等腰直角三角槽。
[0042]将本发明复合结构中的金属材料Au和非金属材料Si的固有损耗也考虑在内，Au和Si复杂的折射率如附图6所示，在严格耦合波分析法(RCWA)和有限时域差分法(FDTD)中，Si的折射率随波长的变化来源于Palik参数，Au的折射率随波长的变化分别来源于Palik 参数和 Johnson and Christy 参数。
[0043]附图7、附图8为本发明结构在垂直入射条件下，在波长0.3 μ m到2.0 μ m范围内，周期TWaSym变化到3.0 μ m时，分别对TM、TE模吸收效率的影响。对于TM模，如附图7所示，当T大于1.7 μ m，在0.3-2.0ym整个波段内的平均吸收效率高于85 %，而对于TE模，高的吸收效率在0.3-0.7 μ m范围内。
[0044]附图9、附图10为分别本发明结构选择T=L 8 μ m,在波长0.3 μ m到2.0 μ m范围内，入射角度从O度变化到80度时，TM、TE模吸收效率的变化规律。我们证实了所提出结构的吸收效率对于入射角度不敏感。
[0045]附图11、附图12为本发明结构在T=L 8μπι时，五种结构(如附图1到附图5)从波长0.3 μ m到2.0 μ m范围内的TM和TE模吸收谱对比。附图11为TM模的吸收对比，附图12为TE模的吸收对比。在上述图中，实线为RCWA结果，虚线为FDTD结果，点线代表Yablonovitch极限。从附图11可以证实，RCWA和FDTD的结果是一致的。本发明提出的结构对于TM模的吸收效率不仅高于其他四种结构,甚至在红外波段超出了 Yablonovitch极限。类似地，TE模的吸收效率也高于其他四种结构，由于是一维结构，所以TM模的吸收效率优于TE模。
[0046]附图13到附图15为本发明结构通过RCWA计算得出的波长为0.4 μ m、1.2 μ m、
1.8 μ m时的电场分布图，以便更好地理解光吸收增强的机制。这里，我们以TM模垂直入射为例。从附图13可以看出，在较短波长范围，电场增强主要集中在吸收层表面的三角槽内。从附图14、附图15可以看出，在较长波长范围，电场在吸收层表面的三角槽内和由吸收层表面的三角槽和反射层构成的腔内都有增强。并且，场强分布的结果也通过FDTD得到了验证。
[0047]图16当用一个覆盖0.3~2.Ομπι波段范围的脉冲入射时，图1结构与图5三个典型位置的场强随时间变化的对比:(a)位置在吸收层表面的三角槽内的场强；(b)位置在与反射层距离较远的腔内的场强；(C)位置在反射层表面的随机三角槽附近的场强。可以看出，本发明结构中三个典型位置的场强在0~200fs内都比图5结构的幅值大，从而在时域上验证了本发明结构在场强增强方面的优势。
[0048]以上实施例充分证明了本发明的一种提高宽谱光吸收效率的复合结构与其他四种结构相对比，能更好的达到高效的、宽带、宽角度电磁波吸收。
[0049]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种提高宽谱光吸收效率的复合结构，包括金属材料和非金属材料，其特征在于: 所述复合结构是由吸收层和反射层复合而构成； 所述吸收层是在非金属材料Si的表面开设有周期性三角槽，并在周期性三角槽内填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜构成光子晶体结构； 所述反射层是由非金属材料Si的底端面开设有随机三角槽，并在随机三角槽表面涂覆有金属材料Au构成。
2.根据权利要求1所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述Si的厚 d ^: 2 μ m ^ d ^ ΙΟμπι。
3.根据权利要求1所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述周期T是:1.8 μ m < T < 10 μ m。
4.根据权利要求3所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述周期T?d。
5.根据权利要求1所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述吸收层表面的三角槽大于反射层表面的三角槽。
6.根据权利要求5所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述吸收层表面的每个三角槽是对应于反射层表面的多个随机三角槽。
7.根据权利要求1和2所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述Si表面三角槽高度和底端面三角槽的高度之和小于d。
8.根据权利要求1所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述金属材料Au的厚度t是:t彡lOOnm。
9.根据权利要求1所述的提高宽谱光吸收效率的复合结构，其特征在于:所述填充有聚合物薄膜或者胶体量子点薄膜的折射率是1.3-1.77。
【文档编号】G02B5/00GK104503008SQ201410839917
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】陈智辉, 乔娜, 杨毅彪, 费宏明, 刘欣, 王云才 申请人:太原理工大学