CN110196459A - 一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，将金属银引入一维光子晶体，构成三元周期对称结构(ADB)10(BDA)10。其中D层为薄膜金属银层，介质层A取硅，为高折射率层，介质层B层取氟化镁(MgF2)，为低折射率层。通过多层金属银层薄膜的引入有效提高对太阳能的吸收。A、B和D层厚度，初始分别取a＝44nm，b＝110nm，和d＝60nm，当a＝33nm，d＝15nm时长波区吸收率达到最大，氟化镁B层厚度从130nm变化到110nm时，该结构所吸收的能量分布从氟化镁层转移到硅层。本发明的有益效果是可以获得宽带高效的光学吸收，为含金属层的一维光子晶体结构应用于太阳能电池中提供理论依据，同时，可以通过调整介质层厚度控制能量在不同材料中的分布，为太阳能的转化和利用提供指导。

Description

一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，涉及一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法。
背景技术
太阳能既是一次能源，又是取之不尽用之不竭的可再生能源，它具有资源丰富、无需运输、清洁等优势，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代，而且太阳能的利用已经逐渐由军事、航天领域进入到工业、农业、商业、通信和家用等人类活动的各个方面，但是，目前太阳能的捕获吸收和转换效率依然较低，是制约产业发展的关键问题，针对这一问题，许多研究机构和组织致力于提高太阳能利用效率的研究，比如设计了大量的光学耦合结构来增强电磁吸收，并利用优化算法得到了各种优化的光捕获结构；在太阳能电池的底部加上高反射率的反射板，利用多次反射来延长光在电池中的光程提高光捕获能力；采用光陷阱延长光在电池内的停留时间。通过设计不同结构的光子晶体来控制光子禁带，从而实现对不同波长电磁波的吸收来提高太阳能的利用，在设计的结构中减小了电池的厚度，因此在制备高效的太阳能电池中具有独特的优越性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，本发明的有益效果是可以获得宽带高效的光学吸收，为含金属层的一维光子晶体结构应用于太阳能电池中提供理论依据，同时，可以通过调整介质层厚度控制能量在不同材料中的分布，为太阳能的转化和利用提供指导。
本发明所采用的技术方案是将金属银引入一维光子晶体，构成三元周期对称结构(ADB)10(BDA)10。其中D层为薄膜金属银层，介质层A取硅，为高折射率层，介质层B层取氟化镁(MgF2)，为低折射率层。通过多层金属银层薄膜的引入有效提高对太阳能的吸收。A、B和D层厚度，初始分别取a＝44nm，b＝110nm，和d＝60nm。
进一步，当金属银层的厚度从60nm减小到15nm时，吸收带宽和带内平均吸收率都得到显著增加，谱宽越来越宽，从56nm增加到463nm，平均吸收率从0.3370增加到0.7715，带宽吸收积从18.872增加到357.2045。
进一步，随着高折射率硅层厚度的减小，吸收带位置向短波方向移动，吸收谱越来越平坦，吸收率均值从0.7453增加到0.8230，带宽从474nm逐渐减小到388nm，当a＝33nm时，带宽吸收积最大。
进一步，吸收率随着低折射率氟化镁层厚度的减小而减小，平均吸收率从0.8412减小到0.6976，频谱宽度从413nm增加到482nm，当b＝110nm时，带宽吸收积最大，频谱位置向短波方向移动，而且吸收谱上下波动越来越明显。
进一步，随着低折射率氟化镁层厚度b的减小，光子晶体内部最大能量局域从B层MgF2转移到A层Si，当b＝110nm时，每个周期内的场强最大值已在A层；随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，A层局域的能量逐渐减小。
进一步，吸收能量主要分布在光子晶体对称结构的前半部分，并且能量主要局域在介质层，当银层厚度减小时，局域能量逐渐增加，并且能量主要局域在氟化镁层，随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，氟化镁层局域的能量逐渐减小；氟化镁层厚度减小，最大能量局域从氟化镁层转移到硅层。
附图说明
图1是不同金属层厚度的一维光子晶体的吸收谱。
图2是不同金属层厚度的一维光子晶体的电场分布曲线示意图；
图3是MgF2层不同厚度的一维光子晶体的电场分布曲线；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
在一维光子晶体中加入多层金属材料银会增加光吸收，并且银层厚度的变化会引起吸收带宽和吸收率的极大变化，首先分析金属层厚度对太阳光谱吸收的影响。吸收谱的变化如图1所示，可以看出波长在可见光到近红外的400-1500nm太阳光谱，只有一个高吸收带，高吸收带波长都在800nm以后，随着金属层厚度d的减小，吸收带集中在长波处，波长主要从800nm以后开始，带宽从56nm增加到463nm，整整增加了8倍之多，吸收率均值明显增加，从0.3370增加到0.7715，带宽吸收积从18.872增加到357.2045，无论是带宽还是吸收率均值，都有明显的增加。其次，分析金属层厚度对电场分布的影响。银层厚度分别为d＝30nm、d＝25nm、d＝20nm和d＝15nm，Si层厚度a＝33nm，MgF2层厚度b＝130nm的电场分布情况，如图2所示，可以看出能量主要集中在光子晶体对称结构的前半部分，最大值为780，后半部分能量最小值为1.3，能量局域明显小很多，后半部分相当于一个反射结构，将吸收能量反射到前半部分，并且B层能量最多；随着金属层厚度d的减小，对称结构前半部分和后半部分的能量逐渐增加；随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，B层局域的能量逐渐减小。
表1详细列出了光在一维光子晶体中局域到B层的场强，随着金属层厚度d的减小，前十周期在B层的场强最大值从578增加到780，最小值从55增加到107。当d＝30nm时，对称结构前一半在每个周期内B层的场强最大值从578减小到55，后十个周期场强最大值小于75；当d＝25nm时，前十个周期在B层的场强最大值从638减小到73，后十个周期场强最大值小于108；当d＝20nm时，在对称结构前一半B层的场强最大值从705减小到89，后一半场强最大值小于160；当d＝15nm时，在B层的场强最大值从780减小到107，后十个周期场强最大值小于210。在B层的场强最高，即在MgF2层中局域的能量最高，可将此一维光子晶体应用于太阳能电池中，提高对太阳能的利用效率。
表1光在一维光子晶体中A、B、D层局域的场强
介质材料MgF2层的厚度对电场分布的影响
由于上述金属银层厚度的变化体现了电场分布主要集中在B层，为了将能量集中在硅层，研究了介质材料MgF2的厚度对电场分布的影响。图3所示为介质MgF2层不同厚度的一维光子晶体的电场分布曲线，其中Si层厚度a＝33nm，金属银层厚度d＝15nm，MgF2介质层厚度b分别为130nm、110nm、90nm和70nm，其他参数保持不变，可以看出能量主要集中在前半部分，最大值为923，后半部分能量最小值为5.2，能量局域明显比前半部分小很多；随着介质层厚度b的减小，最大能量局域从B层MgF2转移到A层Si，当b＝110nm时，每个周期内的场强最大值已在A层；随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，A层局域的能量逐渐减小。
光在一维光子晶体中传输到各层的场强、总场强和各层占总场强的百分比如表2所示，可以看出当b从110nm减小到70nm时，在Si层的总场强从13427逐渐增加到15877；当b从130nm减小到90nm时，所有层的总场强和从40420减小到30586；A层场强占总场强比从33.6％增加到47.7％，D层场强在22.5％左右，变化不大，B层场强从44.6％减小到30.0％。上述已讨论了光子晶体材料的厚度对吸收率的影响，当d＝15nm，a＝33nm，b＝110nm时，可得到宽带高吸收率的吸收谱，光在一维光子晶体中传输，场强快速转移到Si层，根据应用的不同，局域在硅层的场强最大，储能最多，为以后太阳能电池的应用有重大意义。由于介质Si层厚度与金属层厚度的改变对场强的影响规律相似，我们在此就不再讨论了。
表2光在一维光子晶体中局域到各层的场强
本发明能够增强可见光到近红外波段太阳光谱的吸收，有效地提高太阳能的转换和利用效率，本发明将金属银引入一维光子晶体，形成含有多个银层的三元周期结构，获得了波长范围在724-1188nm，谱宽为464nm，平均吸收率达到0.7782的高效太阳能吸收。为了进一步研究含金属银的一维光子晶体结构中吸收太阳能的利用与转化，通过各层厚度调节实现了吸收能量在两个介质层之间分布变换和控制条件。对光子晶体的应用和太阳能电池的设计提供理论依据。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：将金属银引入一维光子晶体，构成三元周期对称结构(ADB)10(BDA)10，其中D层为薄膜金属银层，介质层A取硅，为高折射率层，介质层B层取氟化镁MgF2，为低折射率层，通过多层金属银层薄膜的引入有效提高对太阳能的吸收。
2.按照权利要求1所述一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：当所述金属银层的厚度从60nm减小到15nm时，吸收带宽和带内平均吸收率都得到显著增加，谱宽越来越宽，从56nm增加到463nm，平均吸收率从0.3370增加到0.7715，带宽吸收积从18.872增加到357.2045。
3.按照权利要求1所述一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：随着高折射率硅层厚度的减小，吸收带位置向短波方向移动，吸收谱越来越平坦，吸收率均值从0.7453增加到0.8230，带宽从474nm逐渐减小到388nm，当a＝33nm时，带宽吸收积最大。
4.按照权利要求1所述一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：吸收率随着低折射率氟化镁层厚度的减小而减小，平均吸收率从0.8412减小到0.6976，频谱宽度从413nm增加到482nm，当b＝110nm时，带宽吸收积最大，频谱位置向短波方向移动，而且吸收谱上下波动越来越明显。
5.按照权利要求1所述一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：随着低折射率氟化镁层厚度b的减小，光子晶体内部最大能量局域从B层MgF2转移到A层Si，当b＝110nm时，每个周期内的场强最大值已在A层；随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，A层局域的能量逐渐减小。
6.按照权利要求1所述一种增强光子晶体吸收太阳光辐射的方法，其特征在于：吸收能量主要分布在光子晶体对称结构的前半部分，并且能量主要局域在介质层，当银层厚度减小时，局域能量逐渐增加，并且能量主要局域在氟化镁层，随着入射光进入一维光子晶体深度的增大，氟化镁层局域的能量逐渐减小；氟化镁层厚度减小，最大能量局域从氟化镁层转移到硅层。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111609573A (zh) * 2020-06-02 2020-09-01 中国人民解放军火箭军工程大学 利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012012450A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-26 Massachusetts Institute Of Technology Discriminating electromagnetic radiation based on angle of incidence
US20120325299A1 (en) * 2011-06-22 2012-12-27 AEgis Technologies Group, Inc. Photonic Bandgap Solar Cells
CN106053390A (zh) * 2016-06-23 2016-10-26 燕山大学 含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器
CN109442772A (zh) * 2018-09-27 2019-03-08 青岛大学 一种提高太阳能的吸收利用效率的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012012450A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-26 Massachusetts Institute Of Technology Discriminating electromagnetic radiation based on angle of incidence
US20120325299A1 (en) * 2011-06-22 2012-12-27 AEgis Technologies Group, Inc. Photonic Bandgap Solar Cells
CN106053390A (zh) * 2016-06-23 2016-10-26 燕山大学 含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器
CN109442772A (zh) * 2018-09-27 2019-03-08 青岛大学 一种提高太阳能的吸收利用效率的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KAZEM JAMSHIDI-GHALEH等: "Tuning the defect mode in ternary photonic crystal with external voltage for designing a controllable optical filter", 《THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111609573A (zh) * 2020-06-02 2020-09-01 中国人民解放军火箭军工程大学 利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料
CN111609573B (zh) * 2020-06-02 2021-04-20 中国人民解放军火箭军工程大学 利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料

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