用于超宽带光捕获的半导体纳米天线辅助太阳能吸收器

介绍

太阳能作为一种可再生、清洁和广泛使用的能源，由于它可以转化为其他能源，应用广泛，如太阳能电池 [1,2,3]、光伏器件 [4, 5] 和光-热辐射器 [6, 7]。由于兰迪等人。报道了基于金属-绝缘体-金属三层超材料的完美吸收体 [8]，大量迷人的纳米结构被设计用于太阳能的收集和利用 [9,10,11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21]。值得注意的是，高效的太阳能捕获是这些应用的关键。因此，通常研究吸收体的太阳能吸收响应来评估太阳能收集的性能。理想的吸收体在较宽的波长范围内具有接近统一的吸收。

原则上，完美的吸收体意味着相同波长范围内的良好热发射体。对于给定的温度，可以通过结构的吸收来很好地描述和检测辐射能量[7]。此外，在热平衡条件下，对热辐射的吸收率总是等于辐射率。贵金属纳米结构通常用于通过光与表面等离子体的强耦合来获得完美的吸收体、非凡的光传输或 Fano 共振 [22,23,24,25,26,27,28,29,30]。然而，吸收的太阳能会导致温度升高（即热不稳定性），从而导致低熔点贵金属纳米结构的损坏[7]。请注意，在吸收器中使用难熔金属代替贵金属时，可以保证结构稳定性和耐高温性 [6, 9, 11, 12]。尽管在这些平台上证明了宽带光吸收现象，但这些方法可能会遇到诸如复杂的几何形状 [6, 18]、相对有限的吸收带宽 (<750 nm) [9, 11, 12] 或对贵金属 [8, 10, 11, 18]。

与传统的薄膜器件相比，半导体材料因其低成本和高太阳能转换效率而引起了广泛关注 [31,32,33,34,35,36,37,38,39]。由于其天然丰度和接近理想的能带隙，大多数太阳能吸收器基于硅 (Si) [31, 34]。然而，当Si层的厚度减小时，太阳能电池的效率受到限制。因此，光捕获现已成为薄膜太阳能电池的主要课题之一[38]。最近，砷化镓 (GaAs) 因其独特的光学特性和高转换效率而成为一个很好的竞争对手 [36,37,38,39]，这已在太阳能收集中进行了实验证明。例如，Massiot 等人。提出了用于在超薄 GaAs 层中进行宽带多谐振光捕获的金属纳米网格，其吸收带宽为 380 nm（从 450 到 830 nm）[40]。李等人。提出了一种通过结合金纳米颗粒和砷化镓纳米线阵列来实现可见光区（300-850 nm）的宽吸收带的太阳能电池[39]。然而，它们的吸收带几乎在 300-1100 nm 的范围内。最近，通过将 GaAs 光栅放置在 GaAs-钨 (W) 双层膜结构上，我们获得了完美的吸收体 [40]。然而，吸收 (> 90%) 带宽仅达到 1300 nm。此外，该结构仅考虑了横向磁（TM）极化。

在这项工作中，我们提出了一种基于半导体 GaAs 和难熔金属 W 和 Ti 的可行太阳能吸收器。由氧化铟锡 (ITO) 抗反射 (AR) 纳米天线涂覆的一维 (1D) GaAs 纳米天线周期阵列放置在薄的 W-GaAs-Ti 三层膜结构上。由于导模共振 (GMR) 和腔共振模式以及表面等离子体激元 (SPP) 的协同作用，该太阳能吸收器呈现出跨越可见光和中红外区域的超宽吸收带。吸收超过 90% 的带宽大于 2400 nm。吸收体还显示出对入射光的角度和偏振的良好耐受性。此外，短路电流密度高达61.947 mA/cm ² 是在 AM1.5 太阳光照下实现的。这些为实现超紧凑高效光伏电池和热发射器提供了新的视角。

材料和方法

所提出的吸收器的示意图如图 1a 所示。一维 GaAs 纳米天线阵列夹在由 ITO 纳米天线和薄金属-半导体-金属 (MSM) 三层薄膜结构制成的单层 AR 阵列之间。尽管贵金属在创建宽带吸收结构中必不可少，但它们的熔点较低 [41]。此外，由于小尺寸效应，图案化贵金属纳米结构的熔点大大降低[42]。这些导致贵金属纳米结构不符合太阳能光伏的工作温度。因此，非常需要具有超高热稳定性和光吸收能力的材料来保持太阳能吸收器的稳定性。金属 W、钛 (Ti) [6, 17] 和半导体 GaAs [36, 37, 39] 都具有高熔点（室温下分别为 3422 °C、1668 °C 和 1238 °C），因此在这项工作中被用来获得超宽的吸收带。纳米天线的周期和宽度表示为P 和 d ， 分别。底部 W 膜的厚度为 100 nm。 Ti和GaAs薄膜的厚度分别用h标记 1 和 h 2. ITO和GaAs纳米天线的厚度用t标记 1 和 t 2、分别。该吸收器的优化参数设置为P =500 nm, d =400 nm, t 1 =80 nm，t 2 =120 nm, h 1 =70 nm，并且 h 2 =30 nm。

一 拟议的太阳能吸收器的示意图。 b 太阳能吸收体（黑线）、MSM 堆叠结构（红线）和仅涂覆有 GaAs 纳米天线的 MSM 结构（蓝线）的吸收光谱

该吸收体的光学性能和电磁场分布是通过有限差分时域 (FDTD) 方法计算的 [43]。在 x 处采用周期性边界 z 使用方向和完美匹配层 方向。 Ti、W 和 GaAs 的介电常数取自 Palik [44]，ITO 的指数为 2.0 [35]。如果没有特别说明，宽频率平面波沿 x 具有线性极化 轴从纳米天线超表面（即 TM 极化）的顶部照射，它们之间的距离为 540 nm。传输 (T 由于底部使用了不透明的金属膜，因此该吸收器中的 ) 为零。吸收（A ) 可以通过 A 计算 =1 - R ，其中 R 表示反射。选取长度为20 nm、宽度为500 nm、高度为500 nm的有限区域和1.6 nm的细化网格计算短路电流密度（其他参数与计算中设置的相同）反射）。最小网格步长为 0.25 nm 的非均匀网格和具有三个波长区域（280-400 nm、401-1702 nm 和 1705-4400 nm）的平面波用于计算标准太阳光谱，使用简单的两个维模拟。所提出的吸收体可以按以下步骤制造：（1）通过沉积方法在二氧化硅衬底上有序沉积一定厚度的 W、GaAs 和 Ti 薄膜 [45, 46]； (2) 在上面制作的结构上沉积一层光刻胶，用电子束光刻法刻蚀[47]，形成一维纳米天线阵列； (3)在第二步制作的结构上连续沉积一定厚度的GaAs和ITO材料； (4)通过剥离法去除涂有GaAs和ITO材料的光刻胶纳米天线。

结果与讨论

图 1b 显示了优化吸收器在垂直入射时的吸收光谱（标有“吸收器”，黑线）。为了比较，MSM 结构（标有“MSM”，红线）和仅由 GaAs 纳米天线涂覆的 MSM 结构（标有“没有 ITO 层的结构”，蓝线）的吸收光谱也显示在图 3 中。 1b.对于具有简单MSM三层膜结构的结构，吸收小于70%。当GaAs纳米天线周期阵列置于MSM结构上时，实现了从657到2679 nm的吸收增强的超宽吸收带。这表明这里的 GaAs 纳米天线阵列负责在宽波长范围内的强吸收。请注意，在 991-1455 nm 和 2004-2388 nm 范围内的吸收强度仍然小于 90%。对于所提出的吸收器，引入的 80 nm 厚 ITO 纳米天线阵列进一步加强了吸收并扩大了吸收带。考虑到 A> 90%，发现了超宽吸收现象，吸收带宽高达 2402 nm，跨越可见光、近红外和中红外区域（468-2870 nm）。平均吸收率提高到 95.5%。这是因为80nm厚的ITO层起到了减反射作用，可以进一步加强GaAs纳米天线的减反射效果。此外，80 纳米厚的 ITO 层足够高以实现低薄层电阻，因此载流子在数百微米到横向金属触点的横向传输损失较低 [35]。因此，实现了吸收带宽和吸收效率的巨大改进，大于基于贵金属 - 半导体复合系统的吸收器 [32,33,34,35,36,37]。大幅放大的吸收主要来源于GMR和腔模的激发及其杂化耦合效应[18]。

电磁场分布 (|E |和 |H |) 和电流密度 (J ) 在不同波长 (即 594 nm、1430 nm 和 2586 nm) 下的吸收剂进行了研究。在594 nm处，电场能量主要集中在纳米天线-空气界面，强磁场能量位于GaAs纳米天线和ITO层（图2a、b）。这些表明 GMR 和腔模被激发 [18, 26]。 GaAs 纳米天线中的电流（图 2c）证实了 GaAs 纳米天线对这种吸收增强的有效性 [48, 49]。在 1430 nm 处，强电场主要存在于纳米天线附近的空气槽中（图 2d），这意味着激发腔模式 [18, 26]。在图 2e 中，磁场能量位于 GaAs 纳米天线-Ti 薄膜界面，表明激发的 GMR 和腔模式都有助于光耦合到结构中，并进一步激发 GaAs 薄膜-Ti 界面附近的 SPP电影 [9, 18, 20, 39]。图 2f 所示的 Ti 膜中分布的电流提供了强有力的证据，表明入射光完全耦合到结构中。在2586 nm处，电磁能主要位于纳米天线之间的缝隙中以及GaAs纳米天线-Ti薄膜和GaAs薄膜-W薄膜的界面处（图2g，h），电流主要分布在纳米天线的顶面W 膜（图 2i）。这些再次证明了光通过 GMR、SPP 和腔模式耦合到结构的底层。因此，可以得出结论，激发的 GMR、SPP 和腔及其协同作用导致宽带和近乎完美的吸收 [18]。

电场|E |, 磁场 |H |分布和电流密度 J 在 594 nm (a –c ), 1430 nm (b –f ), 和 2586 nm (g –我 )，分别

在太阳能吸收器的实际应用中，光吸收对入射角和偏振角不太敏感 [2, 3, 6, 18, 20]。然而，大多数基于 GaAs 材料的吸收体很少涉及偏振角和入射角的探索 [36, 39]。图 3a 显示了所提出的太阳能吸收器在倾斜照射下的 TM 极化下的吸收演变。显然，吸收效应在 468-3000 nm 范围内几乎是稳健的，入射角高达 55°，并且中红外区域的波长仅略有下降。当入射角超过55°时，吸收带将大大减少。图 3b 显示了不同偏振态下的光吸收，其中 0° 对应于 TM 偏振，90° 对应于横向电 (TE) 偏振。观察到，当偏振角从 0°增加到 90°时，吸收可以在较短和较长的波长区域（468-1010 nm 和 1800-3000 nm）保持完美。虽然在近红外区域吸收减少，但仍保持在 50% 以上。总的来说，吸收的角度和极化不敏感性应该归因于阻抗和固有损耗的良好匹配[18, 19]。

在可调入射角 (a) 下太阳能吸收器的吸收映射 ) 和偏振态 (b )

我们通过将优化的吸收器置于 AM 1.5 光源的照射下进一步进行太阳能吸收研究。太阳能吸收器在可见光、近红外和中红外区域显示出近乎完美的吸收，跨越主要的太阳辐射能量分布区域（图 4a）。由于多个共振状态同时发生，几乎接近统一的太阳能被吸收器捕获。这些证明了这种结构的高太阳能吸收效率。此外，当温度在一定范围内升高时，该吸收器中使用的耐火材料有助于保持该结构的热稳定性。因此，可以得出结论，我们提出的吸收体在光电器件中具有更广泛的应用[50]。

一 标准太阳辐射光谱AM 1.5和AM 1.5下的太阳能吸收器的太阳能吸收光谱。 b 太阳能吸收体在太阳辐射全光谱范围内的吸收能量和漏失能量

如 [36] 所述，短路电流密度 J AM1.5 太阳光照的 sc 由 \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac 描述{e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) 其中 e 是电子电荷，h 是普朗克常数，λ 是光波长，ΦAM1.5(λ) 是 AM 1.5 处的太阳辐射率，A(λ ) 是吸收，c 是光速。在这里，我们通过在其他参数不变的情况下改变 GaAs 纳米天线的厚度来研究短路电流密度。当 t 2以30 nm的步长从30 nm调谐到210 nm，收集的光电流如图5所示。 厚度t具有很强的规律性 2 获得是因为 J sc 主要依赖于 300-3000 nm 范围内的谐振模式数量。最大J sc 等于 61.947 mA/cm ² 当 t 时获得 2 =120 nm，比 Meng 等人报道的要大得多。 (30.3 mA/cm ² ) [35]。

TM偏振光下GaAs纳米天线厚度的短路电流密度

结论

我们提出了一种基于 GaAs 纳米天线的太阳能吸收器，在薄的 W-GaAs-Ti 三层堆叠结构上被单层 ITO 覆盖。在468-2870 nm的波长范围内实现了超宽带近乎完美的吸收剂，平均吸收率超过95%。超宽带吸收特性源于 GMR、腔模和 SPP 的协同作用。超宽带太阳能完美吸收体还具有良好的温度耐受性，对入射光的角度和偏振不敏感，最佳短路电流密度高达61.947 mA/cm ² .这些为实现薄膜太阳能电池、太阳能收集和热发射器提供了新的视角。

数据和材料的可用性

本研究中生成或分析的所有数据均包含在本文中。

缩写

TM：

横磁

一维：

一维

AR：

抗反射

GMR：

导模共振

SPP：

表面等离子体激元

MSM：

金属-半导体-金属

FDTD：

有限差分时域

TE：

横电