1 引言

太阳能吸收器是太阳能利用过程中的关键器件,它吸收有效工作波长的光照,并将光能转化为热能、电能或者其他形式的能量^[1]。提高吸收器的吸收能力是促进太阳能利用的有效方式。提高太阳能吸收器的吸收能力主要有两个途径:增大吸收带宽和提高太阳辐射能力较强区域内的吸收率。那么,理想的吸收器应具备全太阳光谱高吸收能力。研究者采用多层材料薄膜构建了一维光子晶体(1D-PC)结构的太阳能吸收器,有效提高了吸收率^[2-3]。Luo等^[4]设计的由多层二氧化钛(TiO₂)和硅(Si) 堆叠而成的光子晶体,可以实现全向吸收,吸收率接近100%,但是高吸收带宽不够大,只在440~640 nm的波长范围内有较高的吸收率。 Ansari等^[5]设计了基于硅(Si),二氧化硅(SiO₂)和二硫化钼(MoS₂)单层膜的光子晶体,在0~60°入射角范围内均能实现90%的吸收率,但需要较多层薄膜,器件过厚,制备比较困难,并且吸收带宽不够大,高吸收波长范围仅为100 nm左右。与1D-PC结构的吸收器相比,二维光子晶体(2D-PC)结构的吸收器有明显的优势^[6-10],吸收带宽更宽,吸收率高,且能够广角吸收。Wan等^[11]设计了金属-介质-金属超表面吸收器,上层薄膜使用二维周期结构,在400~1200 nm波长范围内实现了接近90%的高吸收率,在该波长范围以上吸收率较低,有较好的光谱选择性。刘开贤等^[12]设计并计算了基于GaAs纳米阵列的2D-PC结构的太阳能电池,在200~900 nm波长范围内,吸收率可达87.4%,最终优化后的功率转换效率为17.6%。然而这些结构都无法实现全太阳光谱高吸收。本文设计了一种含有抗反射层的2D-PC结构的太阳能吸收器,在300~2500 nm的波长范围内有效吸收率高达94.9%,可以覆盖全太阳光谱,并且具有广角高吸收和偏振不敏感的特性。

2 结构设计

2.1 器件结构

在2D-PC中,一般采用谐振腔来确定高吸收带宽的范围^[13],但从模拟得到的数据可以看出,在仅使用谐振腔的情况下,所得到的结构整体吸收率不够高,高吸收带宽范围不够大^[14]。实际所需的高吸收带宽为300~2500 nm,如图1理想吸收区域所示,根据AM1.5标准^[15], 该频段能量占太阳辐射总能量的99.13%,故该吸收区域可以定义为全太阳光谱。为了提高吸收率并解决长波长处吸收率不够高的问题,在2D-PC的上层增加抗反射层。抗反射层的原理^[7]为

2np=(2t+1)2λ0,(1)

式中:p为抗反射层的厚度;n为抗反射层材料的折射率;t为自然数,t=0,1,2,3,…;λ₀为t=0时的中心波长。令λ为入射光波长,当λ=(2t+1)λ₀÷(2b+1)(b为自然数)时,薄膜显示抗反射特性;当λ=(2t+1)λ₀/(2b)(b为自然数且b≠0),薄膜显示增反射性。并且当t=0时,(1)式所示的抗反射层厚度p是满足透射性要求的最小厚度。由于本文要求的高吸收带宽较大,抗反射层的厚度是在固定的入射波长下计算得到的,且抗反射层对吸收器在整个高吸收区域的吸收特性都会产生影响,因此在1.5~2.2 μm波长范围内吸收率有所下降。

图 1. 37°倾斜向日面上的直接法向光谱辐照度(实线)和半球面光谱辐照度(虚线)

Fig. 1. Directly normal spectral irradiance (solid line) and hemispherical spectral irradiance (dashed line) on 37° tilted Sun-facing surface

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吸收器的结构如图2所示,以金属钨(W)为基底,以四方晶格结构排列圆形空腔以构成2D-PC结构,并且在圆形空腔中填充GaAs,在填充之后的2D-PC板上表面增加一层GaAs抗反射层。整个结构仅由含有填充材料的2D-PC板和抗反射层两部分组成,制备较为简单。光子晶体的晶格常数为A,抗反射层厚度为p,圆形空腔的高度为d、半径为R,衬底的厚度为50 nm,入射仰角为θ,入射方位角为φ。

2.2 计算方法

本文使用COMSOL Multiphysics仿真软件对该2D-PC结构进行模拟。在图2所示结构中,底部和顶部设置为周期性端口,边界条件设置为Floquet周期条件,即源和目标边界上的场值相差一个相位因子,相位因子由波矢方向和边界的相对距离确定,这样即可使用一个基本单元来模拟周期性排列的结构。当入射角度为0时,吸收器具有无偏振性,为了简化仿真计算,光源设置为横电(TE)模,光强设为1 W。在有限元计算过程中,随着网格的不断细化,划分出的单元变得越来越小,求解的结果越来越接近真实解,但计算资源与模拟时间也会增加。在本文吸收器的模拟计算过程中发现,划分单元的精密程度对吸收特性的计算结果无影响。为了保证仿真模拟结果对实际器件的指导价值且能在现有计算资源基础上进行求解,网格被划分为97742个单元,求解的自由度为625966。由于钨基底的厚度足够大,可以阻止光的透射^[16],因此吸收器的透射率t=0,吸收率可以表示为a=1-r,其中r为反射率。为了更好地计算、调整吸收器的几何参数以使吸收器具备全太阳光谱高吸收的能力,本文计算的吸收谱均为吸收器的吸收谱。

图 2. 由GaAs和W组成的2D-PC的结构。 (a)侧视图;(b)横截面图;(c)俯视图

Fig. 2. 2D-PC structure composed of GaAs and W. (a) Side view; (b) cross-sectional view; (c) top view

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模拟制备流程如下:使用选择性区域外延(SAE)^[17]法,首先在钨基底上刻蚀出周期性圆形空腔,再将GaAs填充到空腔中,最后在2D-PC板上表面生长GaAs抗反射层。SAE法是一种模板法,它包括自上而下(光刻)和自下而上(外延生长)方法。该方法可实现纳米结构的精确制备,使实际器件的晶格常数、空腔的半径与位置尽可能地接近设计,并可调控GaAs柱的结构参数,如直径、间距和长度。如图3所示,GaAs的光学参数来自文献[ 18]中的引入了展宽函数的Ozaki和Adachi光介电函数模型,钨的光学参数来自文献[ 19]中的Lorentz-Drude光介电函数模型,两种函数模型可以较为精确地描述材料的介电常数,保证模拟的准确性和可指导性。

选择GaAs作为结构中的吸收材料,其电子带隙为1.4 eV。GaAs的折射率n与吸收系数k如图3(a)所示,可以看出,在350~500 nm波长范围内,GaAs的折射率与吸收系数较大,对太阳能的吸收效率较高。GaAs的吸收波峰位于550 nm附近^[20],由图1可以看出,该区域为太阳光辐射能量最大的区域。钨作为结构的基底,具有硬度高、熔点高、高温稳定性好等特点,常温下不受空气侵蚀,且在远红外区具有高反射率,在长波长处发射率低^[21],可作为结构的背反射器。

图 3. 不同材料的折射率与吸收系数随波长的变化。(a) GaAs;(b)钨

Fig. 3. Refractive index and absorption coefficient of different materials versus wavelength. (a) GaAs; (b) tungsten

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2.3 几何参数的分析

对于不填充GaAs的二维空腔结构,中心波长λ₀与2D-PC晶格常数A有关,λ₀=2A^[22]。在本文中,空腔中填充GaAs,通过仿真模拟得出,高吸收带宽与晶格常数A、GaAs折射率、空腔半径R有直接的关系。在吸收器的设计过程中,首先确定了A的值以实现全太阳光谱吸收,经过计算与仿真,确定A=480 nm。

当圆柱腔的吸收质量因子(Q_abs)和辐射率(Q_rad)相等时,可以在吸收曲线上得到吸收率峰值,此时圆柱腔与外辐射是临界耦合的,实现了Q匹配^[23]。空腔的半径R与高度d直接影响Q_rad,且空腔的体积πR²d与Q_abs密切相关,这意味着可以通过调整R, d来预测吸收谱。在计算过程中,发现空腔的高度d取较小值时,吸收谱的波动较大,吸收曲线不平滑,在长波长处(1.8~2.5 μm)吸收率有所下降,出现了多个吸收峰。但d/A取较小值时制造难度小,材料消耗少,考虑到制造难度与吸收器性能,最终选定d=2.2 μm。

为了使吸收器具有全太阳光谱高吸收的能力,同时满足吸收器高性能与实际器件制造难度低的需要,应确定空腔半径R的最优值。研究空腔半径R对吸收器吸收率的影响,取半径R为150, 170, 190, 210 nm,结果如图4所示。可以看出,随着空腔半径R的逐渐变大,吸收器在高吸收带宽内的吸收率持续增加,且高吸收带宽也有一定增加。吸收谱出现了两个吸收峰,分别在700 nm和1400 nm波长处,且在700 nm处与各吸收谱的截止波长处出现了100%的完美吸收率。虽然空腔半径R越大,该结构对入射光的吸收能力越强,但是过大的R会导致空腔壁过薄。当R取210 nm时,A-2R过小,导致制备困难、结构不稳定,考虑到吸收器性能、制造工艺和实际结构,确定R=190 nm。

图 4. 仿真的吸收谱随R的变化

Fig. 4. Simulated absorption spectra for different R

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最后,为了兼顾不同波长处的抗反射层性能,需要确定抗反射层的厚度p,研究了抗反射层厚度p对吸收器吸收率的影响,选取p=111, 158, 165, 172 nm,结果如图5所示。可以看出,在高吸收波长范围内出现了多个吸收峰,吸收峰处的抗反射层显示抗反射特性。在500~700 nm波长范围内,厚度p取111 nm和172 nm时的吸收器吸收率低于p取158 nm和165 nm时的吸收器吸收率。在1400~2000 nm波长范围内,四个不同厚度的结构对应的吸收谱相似,且高吸收带宽范围没有发生变化。由于p的变化会影响到整个高吸收带宽的范围,仅通过吸收谱无法确定p的最佳值。定义有效吸收率 a-为

a-=∫a(λ)S(λ)dλ∫S(λ)dλ,(2)

式中:a(λ)为吸收率关于波长的函数;S(λ)为AM1.5标准下的太阳辐射光谱。

图 5. 仿真的吸收谱随p的变化

Fig. 5. Simulated absorption spectra for different p

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表1给出了不同p对应的有效吸收率 a-,可以看出,当p为165 nm时, a-较大。所以本文设计抗反射层的结构时取p=165 nm。

综上所述,综合考虑吸收器性能、实际器件与制作工艺,确定该2D-PC结构吸收器的晶格常数A=480 nm,空腔高度d=2200 nm,空腔半径R=190 nm,抗反射层厚度p=165 nm。下面将研究吸收器的偏振无关性、在正入射情况下的吸收能力、广角吸收能力及电磁波的吸收情况以评估吸收器性能。

3 计算与分析

3.1 光吸收能力的分析

为了评估吸收器在正入射情况下的光吸收能力,计算了几项重要的性能参数,表2为吸收器的完美吸收区域(a>90%)、高吸收区域(80%<a<90%)、高吸收带宽内的最大吸收率与最小吸收率及有效吸收率。在太阳辐射最强的区域内,吸收器的吸收率均在90%以上,在300~2500 nm波长范围内平均吸收率为92.53%,因此可以确定,吸收器具有全太阳光谱高吸收能力。

计算了两种对比吸收器的吸收谱,除抗反射层外,这两种吸收器的其他结构与本文设计的吸收器一致,调整两种对比吸收器的几何参数,使两种对比吸收器的高吸收波长范围与理想吸收区域(300~2500 nm)一致。这两种吸收器分别为:含有TiO₂抗反射层且填充有TiO₂的吸收器A1(A=750 nm,R=325 nm,p=136 nm,d=5000 nm)、无抗反射层但填充有GaAs的吸收器A2(A=480 nm,R=190 nm,d=2200 nm),并将它们的吸收谱与本文设计的吸收器(A=480 nm,R=190 nm,p=165 nm,d=2200 nm)的吸收谱进行对比,结果如图6所示。为了达到相同的高吸收带宽(300~2500 nm),吸收器A1需要更大的几何尺寸,这意味着吸收器成本的上升,且该吸收器在太阳辐射能量最强区域的吸收率较低,有效吸收率 a-为91.92%。吸收器A2的吸收率为60%~70%,有效吸收率 a-为61.27%,且在长波长处吸收曲线有明显波动。本文设计的吸收器的有效吸收率 a-为94.9%,可见其具有明显的优势。

图 6. 三种吸收器的模拟吸收谱

Fig. 6. Simulated absorption spectra of three absorbers

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为了更好地利用吸收器吸收的光能,计算了吸收器各部分的吸收率,以确定吸收器可应用的方向,结果如图7所示。可以看出,在短波长处,入射光被抗反射层吸收。在500~900 nm波长范围内,部分入射光被GaAs柱吸收,但柱体吸收率较低,这是因为GaAs柱之间的散射被基底钨吸收,陷光作用减弱。由图3可以看出,1000~2500 nm波长范围内,金属钨的消光系数较大,而GaAs的消光系数几乎为零,消光系数直接影响吸收率,入射光被基底钨吸收。通过分析发现,在本文设计的结构中,对太阳能吸收贡献最大的是钨基底,该吸收器更适用于光热转换系统、热光伏转换系统或其他光能转换系统。相较于文献[ 7]中热光伏转换系统中的吸收器,本文所设计的吸收器的高吸收范围由300~2000 nm(根据AM1.5标准,该频段能量占太阳辐射总能量的95.8%)扩展到300~2500 nm(根据AM1.5标准,该频段能量占太阳辐射总能量的99.13%),同时有效吸收率增大了0.1%,器件厚度减少了300 nm,制备难度降低,材料消耗减少。若将吸收器应用于光电转换系统,理论上可能存在功率转换效率较低的问题,需要进行实际器件验证。进一步优化并更换基底材料,使GaAs柱之间的散射介质吸收率为零, GaAs柱的陷光作用得到增强。

图 7. 吸收器中各部分的吸收率

Fig. 7. Absorptivity of each part in absorber

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3.2 广角吸收能力的分析

为了评估吸收器的广角吸收能力,计算了不同角度下吸收器的吸收率。大多数国家位于赤道0°到北纬50°区间,太阳光的入射仰角θ主要在0°~50°范围内,应在此范围内考量吸收器的广角吸收能力^[24]。图8所示为模拟吸收谱随入射仰角和波长的变化。可以看出,随着入射仰角的增加,高吸收带宽范围内的吸收率持续减小,这是因为空腔内存在的衍射损耗^[13]降低了吸收率。衍射由光栅方程控制:

A(sinθ+sinθm)=mλ,m=±1,±2,±3,…,(3)

式中: θ_m为存在m阶衍射的角度。

当θ大于θ_i时,空腔内出现衍射。θ_i可表示为

θi=arcsinλA-1。(4)

随着λ的增大,θ_i变大,θ>θ_i时吸收率明显减小。因此,为了实现更大的广角吸收角度,晶格常数A应尽量小。由图8可以看出,当0<θ<50°时,吸收率较高,但随着入射仰角的增大,吸收率持续减小。当光源为TE模且θ=50°时,有效吸收率 a-为89.16%,当光源为横磁(TM)模且θ=50°时,有效吸收率 a-为90.13%。由此可见,本文设计的吸收器具有良好的广角吸收能力和偏振无关性。

图 8. 不同光源下模拟吸收谱随入射仰角和波长的变化。(a) TE模;(b) TM模

Fig. 8. Simulated absorption spectrum versus incident angle and wavelength for different light sources. (a) TE mode; (b) TM mode

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3.3 电场分布的分析

研究电场分布以观察吸收器对电磁波的吸收情况,仿真计算了波长分别为700,1100,1400,2500,5000 nm时的电场分布,结果如图9所示。可以看出,在高吸收区(λ=300~2500 nm),电磁波被吸收器吸收,吸收机制主要为抗反射层作用、空腔的共振和吸收介质GaAs的吸收。在5000 nm波长处,电磁波几乎无法进入吸收器内部。其中700,1400,2500 nm波长处为高吸收区的三个吸收峰,1100 nm波长处为高吸收区内的吸收谷。在抗反射层的作用下,电磁波进入到腔体,并在谐振腔共振^[7]及吸收介质吸收的共同作用下被吸收器吸收。700 nm波长处的电磁波主要分布在腔体中,1400 nm处的电磁波集中在抗反射层底部与腔体的顶部。在1100 nm波长处,由于抗反射层显示增反射特性,吸收器的吸收率较小。在2500 nm波长处,吸收率接近100%,电磁波被腔体完美吸收,电磁波进入到腔的底部,电场呈梯度分布,这是因为谐振腔共振,电磁波随着腔内传输深度的增大而不断衰减。在5000 nm波长处,由于钨在长波长处的高反射率,电磁波集中在抗反射层内,几乎无法被腔体吸收,吸收率极低。

图 9. 不同波长处的电场分布情况。(a) 700 nm;(b) 1100 nm;(c) 1400 nm;(d) 2500 nm;(e) 5000 nm

Fig. 9. Electric field distributions at different wavelengths. (a) 700 nm; (b) 1100 nm; (c) 1400 nm; (d) 2500 nm; (e) 5000 nm

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3.4 结构误差的分析

为了保证仿真模拟结果对实际器件制造和应用的指导性,考虑实际加工误差,模拟计算了加工中存在的结构公差对吸收率的影响。在本文设计的吸收器中,由于制备工艺和吸收器结构的影响,GaAs柱的半径R及抗反射层的厚度p最有可能出现加工误差,预计误差应在±5 nm范围内。分别计算了以下四种加工误差情况:误差1(R=190 nm, p=160 nm)、误差2(R=190 nm, p=170 nm)、误差3(R=185 nm, p=165 nm)和误差4(R=195 nm, p=165 nm)。不同加工误差情况下吸收器及所设计的吸收器的吸收谱如图10所示,可以看出,四种误差情况对应的有效吸收率 a-分别为94.8%, 94.96%, 94.56%和95.29%,所设计吸收器的无误差有效吸收率为94.9%, a-的最大误差为0.39%,可以看出加工误差对吸收器的性能影响非常小,吸收器的制备难度较低。

图 10. 不同加工误差情况下的吸收谱

Fig. 10. Absorption spectra for different manufacturing errors

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4 结论

以金属钨为基底材料,以四方晶格结构的圆形空腔为2D-PC结构,设计了空腔中填充有GaAs的含有抗反射层的太阳能吸收器。在300~2500 nm波长范围内,该吸收器具有高达94.9%的有效吸收率,高吸收带宽内的吸收率最小值为82.9%,在700 nm和2500 nm波长处有接近100%的完美吸收率,吸收器具有全太阳光谱高吸收的能力。在入射仰角为50°的情况下,当入射光为TE模时, a-=89.16%,当入射光为TM模时, a-=90.13%,吸收器具有较高的吸收率,所设计的吸收器具有良好的偏振无关性和广角吸收能力。研究结果为太阳能吸收器的设计提供了理论参考,有助于推动高性能吸收器的发展。