Si纳米颗粒阵列的光传输性质研究

【作者】 王子仪； 张荣君； 王松有； 陆明； 郑玉祥； 陈良尧； 王才壮；

【机构】 复旦大学信息学院光科学与工程系； Ames Laboratory,U.S.Department of Energy and Department of Physics and Astronomy,Iowa State University；

【摘要】 目前太阳能电池主要依靠基于干涉的减反膜系来降低其表面反射率,提高电池效率。但是此种设计在偏离中心波长的光减反效果较差,若通过多层膜系增大有效光谱范围,则生产成本上升。最新的研究表明,基于Si纳米颗粒阵列的结构,能够在整个可见光谱范围内获得极低的反射率^[1,2]。相对于传统的减反膜,Si纳米颗粒阵列能够很好地与现有半导体工艺结合,同时能够提供更好的效率,研究Si纳米颗粒的光学性质,具有十分重要的意义。本论文通过实验和理论两方面研究了硅衬底上制备的不同形状的纳米结构阵列的光传输性质,如图1所示。利用传输矩阵方法,对测量的光谱进行的理论解释。给出了产生宽光谱该吸收的物理机制。在周期性纳米结构中存在有多种光吸收机制,其中在Si纳米阵列中主要表现为以下两种共振吸收机制:一种是Wood-Rayleigh（WR）反常衍射效应,另外一种是米氏散射效应^[3]。对纳米柱阵列由于其对应的WR反常吸收和米氏共振模式是分立的,只能在某些特定的波长产生高吸收率。而纳米锥颗粒自上而下横截面直径的连续变化,在阵列中存在多种不同的米氏共振波长,结合WR反常吸收,可以实现宽光谱的高吸收。在Si阵列中测量的大于1000 nm的入射光的吸收是由于金属硅化物的吸收引起的,通过引入有效介质模型,模拟计算的结果与实验结果能够在整个光谱范围内很好地吻合。因此在硅纳米锥阵列在可见至近红外波段内的高吸收率是由米氏散射、伍德-瑞利异常以及颗粒制备过程中引入的金属硅化物杂质引起的。而纳米锥颗粒的尺寸参数则能够调节吸收峰的位置,从而为光伏电池以及光电探测器的设计提供更好的应用。更多还原