超宽带太阳能电磁吸收器优化设计研究

发布时间：2021-11-11 08:09

　　基于不同材料和尺寸的三光栅级联顶层结构设计了一种太阳能超宽带吸收器。采用时域有限差分法FDTD数值模拟了铬膜厚度、缓冲层折射率和厚度、吸收器单元周期及三光栅宽度比和高度比等结构设计参数对共振吸收光谱带宽和吸收率的影响规律。同时借助选取波长下的电磁场分布规律、结合局域表面等离子体共振探究了宽光谱、高吸收率产生的物理机制。仿真结果表明,材料和结构参数不同的三个单光栅级联可明显拓宽入射光的吸收光谱带宽;优化吸收器结构设计参数后,获得了横跨部分紫外光、全部可见光和部分红外波段的宽频带,高达2.2μm的吸收谱宽,近1μm红外频段的吸收率可达完美吸收;并且吸收器在较宽的入射角范围内依然能保持良好的吸收性能和极化的敏感特性。本文所设计的吸收器结构简单,尺寸小,易与芯片集成,可在光伏发电、太阳能热处理和光探测等方面均具有潜在的应用前景。 

【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

吸收器结构图：（a）三维示意图；（b）单元主视图

由图3(a）、（b）和（c）可知，从顶层单光栅到三光栅结构模型的变化过程中，低频段光谱宽度几乎不变，只是最低吸收率值从0.49增到0.685有近40%的提升；高频段最高吸收率从0.951到0.924略有降低，而谱宽从0.2μm到0.81μm有4倍扩展，最终导致总光谱带宽从1.48μm增大到2.2μm。图3 单光栅、双光栅和三光栅结构吸收光谱、电场与磁场分布

图2 吸收器光谱图为了理解宽吸收光谱和高吸收率产生的机理，本文从电场和磁场角度加以分析。选取波长为1.2μm处，z=0平面（即x-y平面）的电场强度|Ex|分布（图3(d）、（e）、（f）），磁场强度|Hy|分布（图3(g）、（h）和（i））。由图中单光栅结构到三光栅结构的电场和磁场分布可以看出，在1.2μm波长下，铬膜与缓冲层的交界面，金膜的上下表面和尖端区域出现多个场强增大的区域，其原因在于入射光的照射下，金属Cr、Au与缓冲层上下表面发生了局域表面等离子体共振[21]。局域等离子体共振激发产生局域表面等离激元使得局部场增强，并在强场的作用下，部分能量被耦合在吸收器二氧化硅光栅层内，使得吸收器的反射率降低，故而吸收率增加，光在宽频段内吸收增强。


本文编号：3488506