用于太阳能电池的有序金属/介质纳米结构高效光吸收器的研究

The interaction of light and micro-nano structures is a hot topic in nanophotonics nowadays. To improve the light absorption efficiency, light-trapping based on nanostructures is one promising technique widely investigated in both solar energy and light detection research. Metal nanoparticles and gratings are usually used to improve the light absorption in the application in solar cells, however, they are suffering from the sensitivity of polarization and the narrow band properties. In this project, metamaterials are proposed to make a polarization-insensitive, omnidirectional and broadband absorber for the application in solar cells. Numerical simulation based on the finite-difference time-domain method is going to be carried out to investigate the effects of the dimensions and material properties on the electric and magnetic parameters of metamaterials, and analyze the absorption of light with different frequencies, directions and polarizations, and finally achieve an impedance matching to suppress the surface reflection loss for a perfect light absorption. Further, individual metamaterial absorbers will be cascadely integrated in eithor vertical or horizontal direction to consiste a combined broadband absorber. In experiment, different metals like Au, Ag, Al and Cu, and their manufacturing techniques will be investigated to optimize the device performance. In addition, we are going to develop a nanotransfer printing technique for patterning metamaterials. This low-cost, high-speed and wafer-scale nanofabrication technique will push the nanophotonics to practical application. The achievement of this project would provide a new route for improving the light absorption efficiency in solar cells.

光和微纳米结构的相互作用是当前光子学研究的热点。其中利用纳米陷光结构提高光吸收率是光能源利用和光探测研究中的关键技术之一。在太阳能电池研究中，国际上大多数研究采用金属纳米颗粒和光栅结构来提高光的吸收效率，具有对入射光角度敏感和窄带宽的限制性。面向薄膜太阳能电池的应用，本项目提出利用有序金属/介质纳米结构形成的人工超常材料来制作具有偏振不灵敏、全向和宽带特性的光吸收器。理论上通过数值模拟分析人工超常材料中结构和材料性质对其电磁参数的影响，研究光吸收与入射光频率、方向和偏振的关系，优化并实现界面的阻抗匹配来抑制表面反射损耗，以获得完全的光吸收，并利用纵向级联和横向嵌套级联结构进一步扩展光吸收带宽。实验中将研究不同金属材料及其制备工艺对器件性能的影响，还将开发基于图形转移技术的纳米加工技术，实现人工超常材料的高速低成本制备。本项目的研究结果将为提高薄膜太阳能电池的光吸收效率提供新的思路。

薄膜光伏电池尤其柔性的有机光伏电池和高速低暗电流的光探测器都希望更薄的有源层，然而这势必带来更弱的光吸收，并降低器件的量子效率。本项目研究通过构建多层金属/介质亚波长结构，实现对光传输和空间分布的控制，实现超薄结构体系中高效的光电转换和多功能应用。具体研究内容包括：1）多层有序金属/介质纳米结构的光传输与光局域特性研究；2）级联多层有序金属/介质纳米结构的光传输与光局域特性研究；3）金属/介质纳米结构光吸收器在光电转换中的基础问题研究；4）纳米加工技术开发与超高效光吸收器研制。我们深入研究了金属/介质纳米结构的光吸收特性，揭示了纵向与横向级联MIM光吸收器中腔模、波导模、等离激元模等多共振现象的耦合机制，并提出了在各类光伏器件中的光吸收器有效应用的创新方案：特别是基于金属纳米结构的特异散射现象进行光传输与光谱的同时调控，实现了显色与光电转换双功能的硅基光伏器件，通过纳米陷光技术解决了显色光损耗与光吸收的矛盾，获得9%的光电转换效率和高纯度色彩，成果发表在ACS Nano；提出非金属等离激元材料TiN的MIM光吸收器方案，并集合热光伏系统研究其作为一体化宽带光吸收器与窄带热发射器的特性，为解决耐高温纳米光学元件的难题提出新思路，论文发表在Photonics Research，并保持在top download前十长达一年；研制出宽带（>400nm）、角度不灵敏（>50度）、偏振不灵敏的高效（>80%）光吸收器，解决了纳米结构波长色散和空间色散等问题，对发展纳尺度下光调控技术具有学术价值。而且我们研究的高效宽带全向光吸收器对于光伏电池、光探测器、光催化、海水净化、人工光合作用等都具有潜在应用价值。项目研究成果共发表SCI论文16篇，授权美国发明专利1项，授权中国发明专利2项，审查中的中国发明专利申请3项；项目期间培养2名博士后，6名研究生；出席8次国际学术会议，其中4次为邀请报告；并获得英国皇家学会高级牛顿学者奖。此外，项目经费按照相关规定严格执行。综上，本项目研究完成了预期研究目标。