CN105866868B - 一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种旨在提高硅太阳能薄膜电池光电转化效率的宽带微纳二维多齿光栅陷波器。本发明的结构是：在硅有源层上面设置有沿两个方向周期变化的光栅，且两个方向上的光栅齿数都为2，它们不均匀的分布在光栅两个方向上。通过调整微纳二维多齿光栅的结构尺寸及光栅齿位置，利用泄露模谐振效应，该器件对横电波（TE波）和横磁波（TM波）入射光具有透射效率高、带宽大及角度谱宽的特点。

Description

一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器，可用于太阳能薄膜电池上表面，提高其透射率。
背景技术
太阳能薄膜电池因其体积小、能耗低、制作工艺相对简单而倍受关注。然而由于入射光在太阳能薄膜电池表面的反射率高及太阳能薄膜电池内部的传输光程短导致太阳光不能充分的被利用。为此，有研究将微纳结构光栅置于太阳能薄膜电池表面，以降低太阳能薄膜电池表面光反射率，并通过折射和散射来改善入射光在太阳能电池内部的传输光程，增加太阳光子的吸收利用率。
常规结构光栅（均匀光栅）在太阳能薄膜电池应用过程中，或是太阳能薄膜电池的吸收系数受入射光波长的影响较大，使得部分入射光子在被吸收转化为电子前逸出；或是对入射光的角度比较敏感，角度的变化对太阳能薄膜电池的吸收系数影响较大；或是在TE偏振波或TM偏振波单方面效率较高，而全偏振态综合吸收效率却不理想。因此，为了增强对入射光的利用率，提高光电转换性能，要求能对不同偏振、全方向的入射光进行有效吸收。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种旨在提高硅太阳能薄膜电池光电转化效率的高性能微纳二维多齿光栅陷波器，相比于常规结构光栅，此微纳二维多齿光栅，在设计自由度，控制光栅区域光场分布，操控光栅中泄漏模的传输具有巨大优势，从而使得该结构可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收，以获得光电转换效率的显著提升。
本发明所述的一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器，微纳二维多齿光栅是指在硅有源层上面设置有沿X、Y轴方向周期变化的光栅，且每个周期内光栅齿数为2，光栅层厚度沿Z轴方向，其值为340纳米。
沿X轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wx1和wx2，且wx1为130纳米，wx2为54纳米，kx1=306纳米，kx2=710纳米；
沿Y轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wy1和wy2，且wy1为51纳米，wy2为838纳米，ky1=261纳米，ky2=50纳米。
可以灵活的调控每个周期内光栅齿位置，从而使得光栅陷波器在300~1200纳米宽谱范围内的透射效率能保持在95%以上，且入射角度在-40度到+40度范围内反射率能维持在5%以下，从而能获得所需的总衍射带宽、角度谱和偏振特性。
根据微纳光栅泄露模谐振及衍射原理，该结构在300~1200纳米宽谱范围内对TE和TM偏振光的平均反射率保持在4.95%以下，在光栅高度340±60纳米范围内，其反射率变化不超过0.7%，而当光栅高度提高到570nm时，反射率更是降低到3.37%。
此微纳二维多齿光栅陷波器在入射角度±40度范围内，反射率能保持5%以下，即使在±55度范围内反射率仍然能保持在约10%以下，这样的大角度透射谱可以使得该结构对太阳光有更高的吸收效率。
本发明采用的原理如下：
1. 此器件的宽带及高透射率特性来源于泄漏模谐振效应及泄漏模的相互作用；另外，此结构的宽带及高透射率特性还与构成材料的高折射率差及顶层微纳二维光栅多齿形状调制有关。高折射率差的光栅层能够扩展谐振区域，从而有利于宽带、高透射率特性的形成，而且，顶层微纳二维多齿光栅的形状调制能够有效防止入射光泄漏模的快速衰逝，这能大大增加入射光获得宽带、高透射率的可能性，增强此器件的性能。
2. 同样，此结构的大角度带宽也源于泄漏模谐振效应及泄漏模的相互作用。一般情况下，具有单个谐振峰的泄漏模谐振器件，由于透射率随入射角度的快速变化，其角度带宽一般比较窄；而由于材料的高折射率差以及顶层微纳二维多齿光栅形状的调制作用，此陷波器能在比较宽的角度范围内显示出很高的透射率。
本发明具有下列优点和积极效果：① 基于硅材料系统，便于利用现有的微纳加工平台进行加工制备，利于大规模集成；② 该结构可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收；③ 该结构可用于硅太阳能薄膜电池中，利于提高硅太阳能薄膜电池对太阳光的吸收，提升光电转换效率。
附图说明
图1 是宽带微纳二维多齿光栅陷波器三维结构示意图。
图2 是该微纳光栅陷波器的俯视图。
图3 是微纳光栅陷波器反射率随入射波长变化情况。
图4 是微纳光栅陷波器反射率随光栅高度变化情况。
图5 是入射波长在300~1200纳米范围内，微纳光栅陷波器平均反射率随入射角度的变化情况。
图6 是入射波长在300~1200纳米范围内，微纳光栅陷波器周期变化时平均反射率随角度的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图加以详细说明：
1、总体
如图1所示，本微纳光栅陷波器在硅有源层上面设置有沿X、Y轴方向周期变化的光栅，且每个周期内光栅齿数为2，光栅层厚度沿Z轴方向。
2、微纳二维多齿光栅层
沿X轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wx1和wx2。沿Y轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wy1和wy2。
其功能是：产生泄漏模谐振效应及保持泄漏模的相互影响作用；扩展谐振区域，利于宽带、高透射率特性的形成；另外，它还能够有效防止入射光泄漏模的快速衰逝，这能大大增加入射光获得宽带、高透射率的可能性，增强器件的性能。
3、硅有源层
硅有源层是一种基于硅材料的方形块。
其功能是：作为硅太阳能薄膜电池的有源层，它能将透过上层光栅的太阳光限制在硅有源层中，并将入射光转化为电能。
4、实施例
1）具体尺寸
根据严格耦合波分析法和时域有限差分算法分析、设计得出器件尺寸为：
光栅高度为340纳米；
X方向周期为1200纳米，wx1=130纳米， wx2=54纳米,kx1=306纳米，kx2=710纳米 ；
Y方向周期为1200纳米，wy1=51纳米， wy2=838纳米，ky1=261纳米，ky2=50纳米；
2）实验条件
输入波长300~1200纳米。
3）实验结果
根据以上数据进行分析仿真，该结构可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收。

Claims (1)

1.一种宽带微纳二维多齿光栅陷波器，其特征在于：微纳二维多齿光栅是指在硅有源层上面设置有沿X、Y轴方向周期变化的光栅，且每个周期内光栅齿数为2，光栅层厚度沿Z轴方向，其值为340纳米；该陷波器沿X轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wx1和wx2，且wx1为130纳米，wx2为54纳米，kx1=306纳米，kx2=710纳米；沿Y轴方向光栅周期为1200纳米，每个周期内有两个光栅齿，分别为wy1和wy2，且wy1为51纳米，wy2为838纳米，ky1=261纳米，ky2=50纳米；
该陷波器在300～1200纳米宽谱范围内的透射效率能保持在95%以上，且入射角度在-40度到+40度范围内反射率能维持在5%以下,从而能获得所需的总衍射带宽、角度谱和偏振特性；
该陷波器在300～1200纳米宽谱范围内对横电波和横磁波偏振光的平均反射率保持在4.95%以下，在光栅高度340±60纳米范围内，其反射率变化不超过0.7%，而当光栅高度提高到570nm时，反射率更是降低到3.37%；
该陷波器在入射角度±40度范围内，反射率能保持5%以下，即使在±55度范围内反射率仍然能保持在约10%以下，这样的大角度透射谱可以使得该陷波器对太阳光有更高的吸收效率；
该陷波器可利用现有的微纳加工平台进行加工制备，利于大规模集成；该光栅陷波器可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收；该光栅陷波器可用于硅太阳能薄膜电池中，利于提高硅太阳能薄膜电池对太阳光的吸收，提升光电转换效率。
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