CN107111011A - 完美吸收体 - Google Patents
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Abstract
一种完美吸收体，包括具有两相对表面的基材层以及自所述基材层一表面向外依次叠设的金属层、介质层，还包括叠设于所述介质层表面的金属纳米阵列；其中，所述金属纳米阵列为圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列中的任一种。这种完美吸收体无偏振敏感缺陷，实现了对光谱太阳能的广谱吸收，且实现对0.5μm～1.8μm光谱的吸收达到90％及以上，极大的提高了对太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明属于电磁波吸收结构技术领域，特别涉及一种完美吸收体。
背景技术
基于人工合成材料的一种电磁波吸收结构，它的电磁波参数和周围环境的电磁参数可实现阻抗匹配，在特定波段下的吸收率为100％，因此人们称这种电磁波吸收结构为完美吸收体。
现有完美吸收体用于太阳能电池前端时，可以将光谱太阳能转化为热能，转化的热能可以被传导给后端的发射体并辐射出于电池带隙相匹配的窄带辐射谱，使太阳能得到较大限度的利用。现有的单节太阳能电池因为受到肖克利-奎色极限的限制，其所能实现的最大效率不会超过理论单节电池最大效率的41％。单节电池只能转化为太阳光中能量大于其带隙能量的光，而对于能量更大的光子，高能带隙的能量又会以热的形式耗散掉，从而极大的降低了对太阳光的全光谱利用。同时，现有的完美吸收体由于结构复杂，存在对偏振敏感的缺陷。因此，有必要提出一种新的完美吸收体。
发明内容
针对目前完美吸收体存在的偏振敏感缺陷、对可见光和近红外光尤其是0.5μm～1.8μm吸收效果差等问题，本发明提供一种完美吸收体。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种完美吸收体，包括具有两相对表面的基材层以及自所述基材层一表面向外依次叠设的金属层、介质层，还包括叠设于所述介质层表面的金属纳米阵列；
其中，所述金属纳米阵列为圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列中的任一种。
本发明提供的完美吸收体为金属-介质层-金属三层结构，实现了对光谱太阳能的吸收，而圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列的周期性排布，可在顶层和空气层之间激发表面等离子体共振，中间介质层可以局域很强的电磁场形成磁共振，相邻单元之间又可以产生耦合磁共振，从而实现
0.5μm～1.8μm的光谱吸收达到90％及以上，极大的提高了对太阳能的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的完美吸收体立体图；
图2为本发明实施例提供的完美吸收体正视图；
图3为本发明实施例提供的完美吸收体俯视图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2、3所示，本发明实施例提供一种完美吸收体。该完美吸收体包括具有两相对表面的基材层1以及自所述基材层1一表面向外依次叠设的金属层2、介质层3，还包括叠设于所述介质层3表面的金属纳米阵列4；
其中，所述金属纳米阵列4为圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列中的任一种。
在任一实施例中，基材1为石英、硅片、镍、铜、钨中的任一种，所述基材1起提供生长薄膜的空间的作用。在基材层1表面进行沉积处理前，需要对基材层1进行清洗处理，确保基材层1的表面洁净，避免表面附着有杂质而可完美吸收体性能产生不利影响。
优选地，金属层2所使用的金属为钨。由于钨的熔点在所有金属中最高，当将钨用于完美吸收体的制造时，如果采用其他制造方法，则钨在蒸镀过程中，会熔化光刻胶，使得光刻胶形成的图形被破坏，导致不容易剥离光刻胶，而且剥离后金属钨的图形发生失真，会使完美吸收体吸收效率降低。而且当采用其他金属时，其他金属的熔点由于没有钨金属的高，因此，采用其他金属制造的完美吸收体的效果不如采用钨金属制造的完美吸收体。
进一步优选地，金属层2的厚度在200nm以上，具体见完美吸收体的制作方法。更进一步优选地，金属层2的厚度为200～300nm。
优选地，介质层3的材料为二氧化硅、氮化硅、MgF2、Al2O3中的任一种。介质层3是产生磁共振的前提。优选厚度为60～80nm，该厚度下可以使得其上和其下金属层中的自由电子产生相互作用，也就是互相耦合，低于或者高于这个厚度区间会使作用太强或太弱，不能产生谐振峰。
优选地，上述完美吸收体的金属纳米阵列4为钨金属阵列，所述金属纳米阵列的周期为450～500nm，所述金属纳米阵列的高度为100～140nm。
进一步优选地，当金属纳米阵列4为圆柱体阵列时，所述圆柱体的直径为280～320nm，所述圆柱体的高度为100～140nm，圆柱体在该尺寸范围内，而且可以在金属纳米阵列4和空气之间激发表面等离子体共振，相邻单元间又可以产生耦合磁共振，当将完美吸收体放置于太阳能电池前端时，0.5μm～1.8μm的光谱吸收达到90％及以上。
在最优选的方案中，圆柱体的直径为300nm，高度为100nm，阵列中圆柱体周期为500nm。
优选地，当金属纳米阵列4为3D螺旋阵列时，所述3D螺旋阵列中，螺旋体的中径为250～350nm，直径为40～60nm，高度为100～140nm。该尺寸范围的3D螺旋阵列，对0.5μm～1.8μm光谱的吸收达到93％及以上。
本发明上述实施例提供的完美吸收体为金属-介质层-金属三层结构，无偏振敏感缺陷，实现了对光谱太阳能的吸收，而圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列的周期性排布，可在顶层和空气层之间激发表面等离子体共振，中间接枝层可以局域很强的电磁场形成磁共振，相邻单元之间又可以产生耦合磁共振，从而实现0.5μm～1.8μm的光谱吸收达到90％及以上，极大的提高了对太阳能的利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种完美吸收体，其特征在于：包括具有两相对表面的基材层以及自所述基材层一表面向外依次叠设的金属层、介质层，还包括叠设于所述介质层表面的金属纳米阵列；
其中，所述金属纳米阵列为圆柱体阵列、3D螺旋阵列、棱柱阵列、正棱台阵列中的任一种。
2.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述金属纳米阵列的阵列周期为450～500nm，所述金属纳米阵列的高度为100～140nm。
3.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述圆柱体的直径为280～320nm，所述圆柱体的高度为100～140nm。
4.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述3D螺旋阵列中，螺旋体的中径为250～350nm，直径为40～60nm，高度为100～140nm。
5.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述金属层为钨层；所述金属纳米阵列为钨金属阵列，所述介质层为二氧化硅层或氮化硅层。
6.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述金属纳米阵列的阵列周期为500nm，所述圆柱体的直径为300nm，所述圆柱体的高度为100nm。
7.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述金属层的厚度为200nm以上，所述介质层的厚度为60～80nm。
8.如权利要求1所述的完美吸收体，其特征在于：所述基材层为石英、硅片、镍、铜、钨中的任一种。
9.如权利要求8所述的完美吸收体，其特征在于：所述基材层的厚度为500～1000μm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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