基于不同材料和尺寸的三光柵級聯頂層結構設計了一種太陽能超寬帶吸收器。采用時域有限差分法FDTD數值模擬了鉻膜厚度、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構設計參數對共振吸收光譜帶寬和吸收率的影響規(guī)律。同時借助選取波長下的電磁場分布規(guī)律、結合局域表面等離子體共振探究了寬光譜、高吸收率產生的物理機制。仿真結果表明,材料和結構參數不同的三個單光柵級聯可明顯拓寬入射光的吸收光譜帶寬;優(yōu)化吸收器結構設計參數后,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2.2μm的吸收譜寬,近1μm紅外頻段的吸收率可達完美吸收;并且吸收器在較寬的入射角范圍內依然能保持良好的吸收性能和極化的敏感特性。本文所設計的吸收器結構簡單,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用前景。 

【文章來源】：光電子·激光. 2020,31(05)北大核心CSCD

【文章頁數】：7 頁

【部分圖文】：

吸收器結構圖：（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構模型的變化過程中，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倍擴展，最終導致總光譜帶寬從1.48μm增大到2.2μm。圖3 單光柵、雙光柵和三光柵結構吸收光譜、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生的機理，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）的電場強度|Ex|分布（圖3(d）、（e）、（f）），磁場強度|Hy|分布（圖3(g）、（h）和（i））。由圖中單光柵結構到三光柵結構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)域出現多個場強增大的區(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)產生局域表面等離激元使得局部場增強，并在強場的作用下，部分能量被耦合在吸收器二氧化硅光柵層內，使得吸收器的反射率降低，故而吸收率增加，光在寬頻段內吸收增強。


本文編號：3488506