宽波段的光吸收增强机制

1、宽波段的光吸收增强机制摘 要 完美的电磁波吸收器件可以吸收所有的入射电磁场并且不会有任何的反射和透射，在很多应用中都起着非常重要的作用。而太阳光谱中可见光和近红外波段的吸收增强就显得更为突出了。一般而言，都是利用半导体材料吸收太阳光而直接实现光电转换，但由于吸收谱波长范围常常只是局限在很短的一个区间，所以太阳光的利用效率往往都不是很高。基于这个原因，很多的研究者都设法去找到一种材料或设计一种结构来实现宽波段的吸收增强，也确实有了一些很好的工作。本文将介绍先前一些有关宽波段的光吸收增强的工作，从而了解材料或物质结构对光吸收增强的机制。一、引言 我们都知道半导体或绝缘体在近红外、可见光波段或紫外波

2、段有一个吸收边。吸收边对应着材料中的能带结构中光跃迁的带隙，当入射的电磁波能量与带隙宽度相等时，材料将会吸收入射的电磁波，而较低能级上的电子将跃迁到较高能级，如图1。这就是传统意义上的带间吸收，这种带间吸收可以在所有的固体材料中观察到。而由于固体材料的能级结构限制，往往一种吸收体只能吸收某一非常有限波段的电磁波。这对于有如太阳光利用等问题起到了非常严重的限制。 随着太阳能光伏等产业的兴起，太阳光的利用效率的提升一直成为制约太阳能产业发展的一个关键因素。而宽波段的光吸收增强可以有效提高太阳能的利用效率。除了利用半导体材料直接将太阳能实现光电转换，其他一些有效的方法就是先利用太阳能产生热能，然后通

3、过又如热电材料1、高损耗的金属或纳米材料2再将热能转换为电能。 近年来，微纳光学和微纳结构的加工技术得到了迅猛的发展。超材料，新奇结构的出现为构建良好的吸收器件提供了新的途径3,4。本文将主要介绍一些宽波段光吸收增强的特殊结构，从而了解光吸收增强的机制，为之后寻找更为有效的电磁波吸收器件提供一定的参考。图1. 带间吸收示意图（初态为：电子占据态，末态为：空穴占据态。）二、宽波段光吸收增强举例 1、用于宽波段吸收增强的等离激元薄膜型太阳能电池的设计5 Ref5中提出通过在Si薄膜表面的SiO2设计一层一维周期Ag光栅结构，如图2（a）所示，由图2（b）（c）（d）比较可以看出，微纳光栅结构有明显

4、的场增强作用，使光聚集在光栅附近，有利于激发载流子吸收。通过计算，这种结构相对于单层硅薄膜电池的短路电流可以提高43%。图2.一维Ag光栅太阳能电池（a）太阳能电池单元结构（b）单层硅磁场分布（c）650nmTM模的分布（d）505nmTM模分布 这种结构同时利用了两个优势：（1）微纳结构周围的近场极其接近表面的等离激元的共振频率，（2）光栅阵列的优化使得Si薄膜支持波导的有效耦合。在表面等离激元共振频率附近，这些光栅阵列可以有效的集中光线。这是对于增强载流子的吸收最为关键的一点。文中还讨论了太阳能电池单元结构中的一些结构参数对于最后结果的影响。 2、石墨烯中宽波段相干光学吸收增强6 自从石墨

5、烯发现以来，由于其优越的光电性质一直备受科学家们青睐。但由于石墨烯没有带隙结构，其对于电磁波的吸收一直困扰着研究者们。Mingsheng Xu6等人提出了一个四层结构的装置，如图3可以显著地增强可见光波段的光吸收，这种结构不依赖与入射光的偏正状态，吸收增强主要由于层结构中的干涉和耗散。 图3. 多层石墨烯宽波段吸收装置 图4.不同层石墨烯的吸收谱线（上-下：10、5、1） 文中利用散射矩阵的方法，分析了石墨烯层厚度以及入射角和入射光波长与光吸收的关系。入射光在介质中传播，可以看成是在多层石墨烯中的散射问题，通过局域在多层石墨烯中的多次反射，使得多层石墨烯中产生共振激发，从而起到增强吸收的作用。

6、实质上，石墨烯层厚度的改变可以改变石墨烯层的有效折射率，使得入射光能在石墨烯与基底层发生全内反射，从而使透射减弱；另一方面，在多层石墨烯中的光线经过散射，将从不同的角度透射出去，需要强调一下，用于耦合入射光的棱镜折射率高于多层石墨烯的有效折射率，文中由于入射角度选取在临界角附近，这就使得通过散射之后必然有大部分光线在上表面也发生全发射，进一步使反射减弱，基于这两个因素，实现了在多层石墨烯可见光波段的吸收增强，如图4。 3、较大晶格常数硅纳米线阵列用于宽波段的光吸收增强7 半导体纳米结构一直被认为是下一代太阳能电池很有潜力的体材料，主要是因为更高的能量转换效率以及较低的成本8,9。硅基半导体有很

7、多突出的特点，一方面自然界有丰富的硅原材，无污染，另外已经有了很成熟的集成加工技术。其他研究者也报道过垂直分布的硅纳米线阵列呈现出低的反射率以及较强的宽波段吸收10-12。 Ref7中提出了一种垂直分布的的SiNW阵列结构，如图5，太阳光从上至下垂直入射，并利用传输矩阵的方法计算了SiNW阵列结构晶格常数在100nm到600nm的光学性质。文章指出,固定输入速率时，增加SiNW阵列的晶格常数可以增强太阳光谱低频部分的光吸收。比较有意思的是，对于合适的晶格常数和输入速率，SiNW阵列总的吸收效率比等厚的硅薄膜甚至覆盖有单层抗反膜等厚硅薄膜的吸收效率还要高。在250nm以下，虽然波导的共振模不会被

8、激发，但因为这种情况下光强比较集中在阵列附近，吸收效率也得到了比较明显的增强；当波长在250nm以上时，波导中的共振模式得到激发，可以进一步使吸收得到增强。文中阐述了光吸收与晶格常数和输入速率以及入射角的关系，如图6、图7，进一步优化了光学吸收。图5. （a）SiNW纳米线阵列垂直分布示意图，（b）单个纳米线剖面图 图6. SiNW阵列随晶格常数变化的吸收谱 图7. SiNW阵列不同输入速率下的转换效率 基于SiNW阵列在之后的研究中，是否在SiNW阵列覆盖一层抗反射的薄膜，或后向反射光子晶体，以及等离激元激发能够进一步增强光吸收也引起了很多研究者的兴趣13-16。4、通过相干光捕获实现在薄膜

9、型光伏器件上的宽波段吸收增强17 光伏产业正蓬勃发展，使其与传统能源相比，主要源自其可再生，无污染，一直得到国家层面的支持。据数据显示，太阳能在能源结构中的占比还不到0.5%。这就意味着太阳能较传统能源行业还没有真正地占有者核心的竞争力，要想突破这一壁垒，必须能够进一步地降低单位产能（）的生产成本。而实现这一点，一方面需要尽可能多的提高太阳能的利用率；另一方面，还要继续完善工艺，最大化的降低工艺、生产成本。 我们都知道，利用几何型朗伯散射可以有效地将光线捕获在预定的活性层里，增加活性层中的光子密度，从而可以有效地提高光子的吸收几率18。这种方法是基于光线光学的统计诠释，所以往往要求活性层要足够

10、厚，一般是远远大于波长的18。考虑到成产成本，薄膜型太阳能器件中的活性层厚度一般与波长相当，甚至较波长还要小19-21。图8.光电器件示意图（a）透明电极上的朗伯散射（b）无抗反射覆盖层（c）透明电极上覆有抗反射层（d）谐振增强腔中透明电极上覆有高反射镜 将入射光强记为，吸收的光强记为，在理想的介质中传播时，有，其中介质中的吸收系数，为光线在介质中传播的有效距离。Ref17中利用如图8.（d）中所示的结构，上下两层分别是反射率极高的反射镜和金属，构成了一个微腔，在腔内有透明电极和吸收层，前者不仅可以收集光电转换后的电子，另一方面还提供了朗伯散射的条件。这种情况下，光线来回在活性层中传播，很机敏

11、地在薄膜层中实现了有效传播距离的增加，很好的将光线都局限在活性层中，大大增加了活性层的光子密度，当然可以有效提高光的吸收。三、总结和展望 本文主要在第二部分介绍了四种宽波段光吸收增强的方法。第1小部分中，介绍了利用金属光栅型表面等离激元来增强吸收，这种结构下，光线可以较好的局限在光栅附近，从而可以有效增强光的吸收。第2小部分中，很独特地解决了石墨烯上的光吸收问题，利用散射矩阵的方法求解了石墨烯层的有效折射率，并根据有效折射率优化石墨烯吸收关系，提出了多层石墨烯增强效果优于单层石墨烯。第3小部分中介绍了垂直型SiNW阵列纳米线结构吸收装置，利用传输矩阵的方法团讨论了晶格常数及输入速率对于光吸收的

12、影响。第4小部分介绍了薄膜型太阳能器件的吸收增强，利用朗伯散射和增加有限传播距离的方法较好实现了光吸收增强。 总的来说，要实现宽波段的光吸收增强，一方面是利用共振吸收，即带间吸收的原理，这个时候一般对应于某一个波长的吸收增强；另一方面，可以设法提高吸收层的光子数密度，使光线局域在吸收层里，可以大大增加光子的吸收几率。我们可以发现，上面的几个例子，甚至是先前的大部分工作，其实都是设法提高吸收层的光子数密度，从而提高光子吸收的几率。从另一方面来看，其实都不是直接地可以实现光电转换，只是将光子捕获在吸收层里面，可以很大程度提高“光线”的吸收，而不是“光子”的吸收，也就是说光电转换效率其实还没有明显的

13、提高。我想，能不能在同一个装置中同时提高光线和光子的吸收效率，或者说将上面几种结构中吸收层替换成可以快速吸收大能量范围的光子的活性材料。当然，应该很多研究者们都在致力于解决这些难题，随着研究的进一步深入，不久的将来，这些难题应该都能迎刃而解！参考文献：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

14、 Lenert A, Bierman D M, Nam Y, et al. A nanophotonic solar thermophotovoltaic deviceJ. Nature nanotechnology, 2014.3 Pendry J B. Controlling Light on the Nanoscale (Invited Review)J. Progress In Electromagnetics Research, 2014, 147: 117-126.4 Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, et al. Perfect metamate

15、rial absorberJ. Physical review letters, 2008, 100(20): 207402.5 Pala R A, White J, Barnard E, et al. Design of Plasmonic ThinFilm Solar Cells with Broadband Absorption EnhancementsJ. Advanced Materials, 2009, 21(34): 3504-3509.6 Pirruccio G, Martin Moreno L, Lozano G, et al. Coherent and broadband

16、enhanced optical absorption in grapheneJ. Acs Nano, 2013, 7(6): 4810-4817.7 Lin C, Povinelli M L. Optical absorption enhancement in silicon nanowire arrays with a large lattice constant for photovoltaic applicationsJ. Optics express, 2009, 17(22): 19371-19381.8 Tsakalakos L. Nanostructures for photo

17、voltaicsJ. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2008, 62(6): 175-189.9 Lewis N S. Toward cost-effective solar energy useJ. science, 2007, 315(5813): 798-801.10 Peng K, Xu Y, Wu Y, et al. Aligned SingleCrystalline Si Nanowire Arrays for Photovoltaic ApplicationsJ. small, 2005, 1(11): 1062-1

18、067.11 Shih M Y, LeBoeuf S F, Pietrzykowski M, et al. Strong broadband optical absorption in silicon nanowire filmsJ. Journal of Nanophotonics, 2007, 1(1): 013552-013552-10.12 Muskens O L, Rivas J G, Algra R E, et al. Design of light scattering in nanowire materials for photovoltaic applicationsJ. N

19、ano letters, 2008, 8(9): 2638-2642.13 Zeng L, Yi Y, Hong C, et al. Efficiency enhancement in Si solar cells by textured photonic crystal back reflectorJ. Applied Physics Letters, 2006, 89(11): 111111.14 Bermel P, Luo C, Zeng L, et al. Improving thin-film crystalline silicon solar cell efficiencies w

20、ith photonic crystalsJ. Optics express, 2007, 15(25): 16986-17000.15 Zhou D, Biswas R. Photonic crystal enhanced light-trapping in thin film solar cellsJ. Journal of Applied Physics, 2008, 103(9): 093102.16 Zeng L, Bermel P, Yi Y, et al. Demonstration of enhanced absorption in thin film Si solar cel

21、ls with textured photonic crystal back reflectorJ. Applied Physics Letters, 2008, 93(22): 221105.17 Agrawal M, Peumans P. Broadband optical absorption enhancement through coherent light trapping in thin-film photovoltaic cellsJ. Optics express, 2008, 16(8): 5385-5396.18 Yablonovitch E. Statistical r

22、ay opticsJ. JOSA, 1982, 72(7): 899-907.19 Stiebig H, Senoussaoui N, Zahren C, et al. Silicon thinfilm solar cells with rectangularshaped grating couplersJ. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006, 14(1): 13-24.20 Peumans P, Forrest S R. Very-high-efficiency double-heterostructure copper phthalocyanine/C60 photovoltaic cellsJ. Applied Physics Letters, 2001, 79(1): 126-128.21 Peumans P, Uchida S, Forrest S R. Efficient bulk heterojunction photovoltaic cells using small-molecular-weight organic thin filmsJ. Nature, 2003, 425(6954): 158-162.附录：文献总结金（Au）制等离激元光锥型