GaAs纳米天线太阳能吸收体：超宽带光捕获助力高效薄膜电池

摘要

光捕获是超薄太阳能电池关键性能，不仅能增加光活性区光吸收，还能以极少材料实现高效吸收。半导体纳米天线能增强光捕获并提高太阳能转换效率。本文提出基于砷化镓（GaAs）纳米天线的太阳能吸收体。在468-2870 nm波长范围实现近完美光吸收（>90%），展现针对太阳辐射的超宽带近单一光捕获。获得高达61.947 mA/cm²短路电流密度。此外，吸收体具良好结构稳定性和高温耐受性，为实现超紧凑高效光伏电池和热发射体提供新视角。

引言

太阳能作为可再生、清洁、广泛存在的能源，因可转化为其他能源广泛应用于太阳能电池[1,2,3]、光伏器件[4,5]、光热发射器[6,7]而被广泛研究。自Landy等报道基于金属-绝缘体-金属三层超材料的完美吸收体[8]以来，大量迷人纳米结构被设计用于太阳能收集利用[9-21]。高效太阳能捕获是这些应用关键，故通常研究吸收体太阳吸收响应评价性能。理想吸收体在宽波长范围具近单一吸收。

原则上完美吸收体在同一波长范围内也是良好热发射体。给定温度下辐射能量可由结构吸收良好描述和检测[7]。热平衡条件下吸收率与热辐射率恒相等。贵金属纳米结构常用于通过表面等离子体强耦合实现完美吸收、非凡光透射或法诺共振[22-30]。但吸收太阳能导致温度升高（热不稳定性），导致低熔点贵金属纳米结构损坏[7]。用难熔金属替代贵金属可保证结构稳定性和高温耐受性[6,9,11,12]。虽这些平台演示宽带光吸收，但可能面临几何结构复杂[6,18]、吸收带宽相对有限（<750 nm）[9,11,12]、大量需贵金属[8,10,11,18]等问题。

半导体材料因低成本和高太阳能转换效率引起浓厚兴趣，优于传统薄膜器件[31-39]。多数太阳能吸收体基于硅（Si），因其天然丰富和近乎理想能带隙[31,34]。但Si层变薄时太阳能电池效率受限，光捕获成为薄膜太阳能电池主要课题[38]。近期砷化镓（GaAs）因独特光学性质和高转换效率成为有力竞争者[36-39]，在太阳能收集中获实验验证。例如Massiot等提出金属纳米栅格在超薄GaAs层实现宽带多谐振集光，吸收带宽380 nm（450-830 nm）[40]。Li等结合金纳米颗粒和GaAs纳米线阵列实现可见光区宽吸收带（300-850 nm）[39]。但吸收带多在300-1100 nm范围。近期我们将GaAs光栅置于GaAs-钨(W)双层膜结构上获得完美吸收体[40]，但吸收（>90%）带宽仅1300 nm，且仅考虑横磁(TM)偏振。

本文提出基于半导体GaAs和难熔金属W、Ti的可行太阳能吸收体。单层ITO抗反射(AR)纳米天线覆盖的一维(1D)GaAs纳米天线周期阵列置于薄W-GaAs-Ti三层膜结构上。该吸收体因导模谐振(GMRs)、腔谐振模式与表面等离子体极化子(SPPs)协同作用，呈现跨越可见光和中红外区的超宽吸收带。吸收>90%带宽超2400 nm。吸收体对入射光角度和偏振具有良好容忍度。AM1.5太阳照射下实现高达61.947 mA/cm²短路电流密度。为超紧凑高效光伏电池和热发射体提供新视角。

材料与方法

图1a展示吸收体示意图。单层ITO纳米天线AR阵列与薄金属-半导体-金属(MSM)三层膜结构夹持1D GaAs纳米天线阵列。虽贵金属制造宽带吸收结构不可或缺，但熔点低[41]。小尺寸效应导致图案化贵金属纳米结构熔点大幅降低[42]，不满足太阳能光伏工作温度。因此极需具超高热稳定性和光吸收能力材料维持吸收体稳定性。金属W、钛(Ti)[6,17]和半导体GaAs[36,37,39]熔点均高（室温下分别为3422°C、1668°C、1238°C），本工作中用于获取超宽吸收带。纳米天线周期和宽度分别记为P和d。底部W膜厚100 nm。Ti和GaAs膜厚分别标记为h₁和h₂。ITO和GaAs纳米天线厚度分别标记为t₁和t₂。优化参数设为：P=500 nm、d=400 nm、t₁=80 nm、t₂=120 nm、h₁=70 nm、h₂=30 nm。

吸收体光学性能和电磁场分布用有限差分时域(FDTD)法计算[43]。x方向周期性边界，z方向完美匹配层。Ti、W、GaAs介电常数取自Palik[44]，ITO折射率2.0[35]。若无特别说明，宽频平面波线偏振沿x轴从纳米天线超表面顶部照射（TM偏振），距离540 nm。因底部不透明金属膜，透射率T=0。吸收率A=1-R，R为反射率。选取长20 nm、宽500 nm、高500 nm有限区域和1.6 nm精细网格计算短路电流密度（其他参数同反射计算）。用最小网格步长0.25 nm非均匀网格和三波段平面波（280-400 nm、401-1702 nm、1705-4400 nm）通过简单二维仿真计算标准太阳光谱。制备步骤：(1)沉积法按序在石英衬底沉积W、GaAs、Ti膜[45,46]；(2)沉积光刻胶电子束光刻[47]刻蚀形成一维纳米天线阵列；(3)第二步结构上连续沉积GaAs和ITO材料；(4)剥离法去除包覆GaAs和ITO的光刻胶纳米天线。

结果与讨论

图1b展示优化吸收体正入射吸收光谱（黑线“Absorber”）。对比展示MSM结构（红线“MSM”）和仅GaAs纳米天线覆盖MSM结构（蓝线“无ITO层结构”）吸收光谱。简单MSM三层膜结构吸收<70%。GaAs纳米天线阵列置于MSM结构上后，实现657-2679 nm超宽强化吸收带，表明GaAs纳米天线阵列是宽波长范围强吸收主因。但991-1455 nm和2004-2388 nm范围吸收强度仍<90%。引入80 nm厚ITO纳米天线阵列进一步增强吸收并扩展吸收带。以A>90%计，超宽吸收现象带宽达2402 nm，跨越可见光、近红外和中红外区（468-2870 nm）。平均吸收率提升至95.5%。因80 nm ITO层起抗反射作用，进一步增强GaAs纳米天线抗反射效应。80 nm ITO层足够厚实现低方阻，降低载流子向侧向金属接触横向传输损耗[35]。结果实现吸收带宽和效率巨大提升，优于基于贵金属-半导体复合系统吸收体[32-37]。吸收巨大增强主要源于GMRs和腔模式激发及其混合耦合效应[18]。

研究不同样品在594 nm、1430 nm、2586 nm波长下电磁场分布（|E|、|H|）和电流密度(J)。594 nm时电场能量主要集中纳米天线-空气界面，强磁场能量位于GaAs纳米天线和ITO层（图2a,b），指示GMRs和腔模式被激发[18,26]。GaAs纳米天线电流分布（图2c）证实其对吸收增强有效性[48,49]。1430 nm时强电场主要存在纳米天线附近空气槽（图2d），暗示腔模式激发[18,26]。图2e磁场能量位于GaAs纳米天线-Ti膜界面，表明激发GMRs和腔模式均将光耦合入结构并进一步在GaAs膜-Ti膜界面附近激发SPPs[9,18,20,39]。Ti膜电流分布（图2f）有力证明入射光完全耦合入结构。2586 nm时电磁能量主要位于纳米天线间槽和GaAs纳米天线-Ti膜、GaAs膜-W膜界面（图2g,h），电流主要分布W膜顶表面（图2i）。再次证明GMRs、SPPs、腔模式及其协同作用将光耦合入底层结构。结论：激发GMRs、SPPs、腔模式及其协同导致宽带近完美吸收[18]。

实际太阳能吸收体应用中光吸收应对入射角和偏振角不敏感[2,3,6,18,20]。但基于GaAs材料吸收体鲜涉及偏振角和入射角探究[36,39]。图3a展示TM偏振斜入射下吸收演化。吸收效应在468-3000 nm范围入射角达55°时近乎稳健，仅中红外区波长轻微下降。入射角超55°吸收带急剧缩减。图3b展示不同偏振态吸收，0°对应TM偏振，90°对应横电(TE)偏振。偏振角0-90°增加时，短波长(468-1010 nm)和长波长(1800-3000 nm)区吸收完美维持。虽近红外区吸收下降，仍>50%。总体角度和偏振不敏感性归因于良好阻抗匹配和本征损耗[18,19]。

将优化吸收体置于AM1.5光源照射下研究太阳吸收（图4a）。吸收体在可见光、近红外、中红外区呈近完美吸收，覆盖太阳辐照能量主要分布区。因多谐振态同时发生，吸收体捕获近单一太阳能。展现此结构高太阳能吸收效率。所用难熔材料在温度一定范围升高时维持结构热稳定性，故吸收体在光电器件有更广应用[50]。

按文献[36]，AM1.5照射下短路电流密度J_sc描述为：J_sc=∫(400-3000 nm) (eλ/hc) Φ_AM1.5(λ) A(λ) dλ，e为电子电荷，h为普朗克常数，λ为光波长，Φ_AM1.5(λ)为AM1.5太阳辐照度，A(λ)为吸收率，c为光速。研究固定其他参数改变GaAs纳米天线厚度t₂对短路电流密度影响。t₂从30 nm以30 nm步长调至210 nm，收集光电流如图5所示。J_sc随t₂呈强规律性，因主要依赖300-3000 nm范围谐振模式数。t₂=120 nm时获最大J_sc=61.947 mA/cm²，远大于Meng等报道(30.3 mA/cm²)[35]。

结论

本文提出基于GaAs纳米天线的太阳能吸收体，单层ITO覆盖于薄W-GaAs-Ti三层堆叠结构上。在468-2870 nm波长范围实现超宽带近完美吸收，平均吸收率>95%。超宽带吸收特性源于GMRs、腔模式、SPPs协同作用。超宽带太阳能完美吸收体具优异温度耐受性、入射角和偏振不敏感性、高达61.947 mA/cm²最佳短路电流密度。为薄膜太阳能电池、太阳能收集、热发射体提供新视角。