[发明专利]一种增强宽谱光吸收的二维光子晶体复合结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种由吸收层和反射层构成的复合结构，特别是一种含二维光子晶体结构和随机金属棱锥槽反射结构，以提高宽谱光吸收效率的复合结构。

背景技术

高效的宽带光吸收器在太阳能电池、光电检测等领域的应用引起了很大的关注。1982年，Yablonovitch提出了在均匀半导体薄膜内的光吸收极限。然而，Yablonovitch极限仅适用于几何光学，对于亚波长结构，通过合理地设计结构，其吸收效率会远远超过Yablonovitch极限。

目前，科学家们已经提出了很多含贵金属材料的光耦合结构来实现宽谱光吸收的增强，这些耦合结构分周期性和非周期性结构。2009年，Hu等人在结构上层引入周期性排列的方形金属块结构，提高了近红外波段内(1μm～5.5μm)多个窄带高吸收(文献1，Boyang Zhang,Joshua Hendrickson and Junpeng Guo，Multi-Spectral Near Perfect Metamaterial Absorbers Using Spatially Multiplexed Plasmon Resonance Metal Square Structures，JOURANL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS,2013,30(3):656)；2011年，Liu等人在结构上层引入周期性排列的金属半球壳结构，实现了近红外波段内(1μm～2.6μm)双窄带高吸收(文献2，Zhengqi Liu,Peng Zhan,Jing Chen,Chaojun Tang,Zhendong Yan,Zhuo Chen,and Zhenlin Wang,Dual broadband near-infrared perfect absorber based on a hybrid plasmonic-photonic,Optics Express,2013,21(3)：3021-3030)；2012年，等人在结构上层引入周期性排列的尖金属凸槽结构，实现了可见光范围内(450nm～850nm)的高吸收(文献3，T.S.M.Novikov,T.Holmgaard,R.L.Eriksen,J.Beermann,Z.Han,K.Pedersen,and S.I.Bozhevolnyi,Plasmonic black gold by adiabatic nanofocusing and absorption of light in ultra-sharp convex Grooves，Nature Commun.，2012.3：969)。但由于周期性结构只能实现在共振模处的窄带高吸收，所以为了实现宽带吸收，非周期性结构也受到科学家们很大的关注。2004年，Joachim等人设计了由Si、TCO和金属银反射板构成的耦合结构，且Si的上表面、下表面以及底部金属银表面都具有随机排列的三角槽结构，实现了在可见光范围内(400nm～700nm)高效吸收(文献4，Joachim Muller,Bernd Rech,Jiri Springer,Milan Vanecek,TCO and light trapping in silicon thin film solar cells,2004.77:917-930)；2009年，Rahul Dewan等人提出了类似的结构，由透明导电氧化物、Si以及金属反射板构成的耦合结构，且Si的上表面和下表面都具有随机排列的三角槽结构，而底部金属为平板结构，实现了在波长范围300nm～1100nm内的较高的量子效率(文献5，Rahul Dewan and Dietmar Knipp,Light trapping in thin-film silicon solar cells with integrated diffraction grating,Journal Of Applied Physics,2009,106(7):074901)。但这些非周期结构依然存在吸收带宽窄或吸收效率低等问题，而在太阳能捕获、宽带光电检测等领域，同时提高紫外至红外波段，甚至更宽波段的宽带、高效的光吸收是很重要的。