基于不同材料和尺寸的三光柵級聯(lián)頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種太陽能超寬帶吸收器。采用時(shí)域有限差分法FDTD數(shù)值模擬了鉻膜厚度、緩沖層折射率和厚度、吸收器單元周期及三光柵寬度比和高度比等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對共振吸收光譜帶寬和吸收率的影響規(guī)律。同時(shí)借助選取波長下的電磁場分布規(guī)律、結(jié)合局域表面等離子體共振探究了寬光譜、高吸收率產(chǎn)生的物理機(jī)制。仿真結(jié)果表明,材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的三個(gè)單光柵級聯(lián)可明顯拓寬入射光的吸收光譜帶寬;優(yōu)化吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后,獲得了橫跨部分紫外光、全部可見光和部分紅外波段的寬頻帶,高達(dá)2.2μm的吸收譜寬,近1μm紅外頻段的吸收率可達(dá)完美吸收;并且吸收器在較寬的入射角范圍內(nèi)依然能保持良好的吸收性能和極化的敏感特性。本文所設(shè)計(jì)的吸收器結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,易與芯片集成,可在光伏發(fā)電、太陽能熱處理和光探測等方面均具有潛在的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：光電子·激光. 2020,31(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

吸收器結(jié)構(gòu)圖：（a）三維示意圖；（b）單元主視圖

由圖3(a）、（b）和（c）可知，從頂層單光柵到三光柵結(jié)構(gòu)模型的變化過程中，低頻段光譜寬度幾乎不變，只是最低吸收率值從0.49增到0.685有近40%的提升；高頻段最高吸收率從0.951到0.924略有降低，而譜寬從0.2μm到0.81μm有4倍擴(kuò)展，最終導(dǎo)致總光譜帶寬從1.48μm增大到2.2μm。圖3 單光柵、雙光柵和三光柵結(jié)構(gòu)吸收光譜、電場與磁場分布

圖2 吸收器光譜圖為了理解寬吸收光譜和高吸收率產(chǎn)生的機(jī)理，本文從電場和磁場角度加以分析。選取波長為1.2μm處，z=0平面（即x-y平面）的電場強(qiáng)度|Ex|分布（圖3(d）、（e）、（f）），磁場強(qiáng)度|Hy|分布（圖3(g）、（h）和（i））。由圖中單光柵結(jié)構(gòu)到三光柵結(jié)構(gòu)的電場和磁場分布可以看出，在1.2μm波長下，鉻膜與緩沖層的交界面，金膜的上下表面和尖端區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)場強(qiáng)增大的區(qū)域，其原因在于入射光的照射下，金屬Cr、Au與緩沖層上下表面發(fā)生了局域表面等離子體共振[21]。局域等離子體共振激發(fā)產(chǎn)生局域表面等離激元使得局部場增強(qiáng)，并在強(qiáng)場的作用下，部分能量被耦合在吸收器二氧化硅光柵層內(nèi)，使得吸收器的反射率降低，故而吸收率增加，光在寬頻段內(nèi)吸收增強(qiáng)。


本文編號：3488506