超広帯域光トラッピング用の半導体ナノアンテナ支援ソーラーアブソーバー

はじめに

再生可能でクリーンで普及しているエネルギーとしての太陽エネルギーは、太陽電池[1,2,3]、光起電装置[4、5]、写真などの幅広い用途向けに他のエネルギーに変換できるため、広く研究されています。サーマルエミッター[6、7]。ランディら以来。金属-絶縁体-金属の3層メタマテリアルに基づく完全な吸収体が報告され[8]、太陽エネルギーの収集と利用のために多くの魅力的なナノ構造が設計されています[9,10,11,12,13,14 、15、16、17、18、19、20、21]。効率的な太陽エネルギーの取得がこれらのアプリケーションの鍵であることは注目に値します。したがって、吸収体の太陽吸収応答は、通常、太陽エネルギー収集の性能を評価するために研究されます。理想的な吸収体は、広い波長範囲でほぼ単一の吸収を持っています。

原則として、完全な吸収体とは、同じ波長範囲で優れた熱エミッターを意味します。与えられた温度に対して、放射のエネルギーは構造の吸収によって十分に記述および検出できます[7]。さらに、熱放射に対する吸収率は、熱平衡条件下での放射率に常に等しくなります。貴金属ナノ構造は通常、光と表面プラズモンとの強い結合を介して、完全な吸収体、異常な光透過、またはファノ共鳴を得るために利用されます[22、23、24、25、26、27、28、29、30]。しかし、吸収された太陽エネルギーは温度の上昇（すなわち、熱不安定性）につながり、低融点の貴金属ナノ構造の損傷をもたらします[7]。吸収体の貴金属の代わりに高融点金属を使用すると、構造安定性と高温耐性が保証されることに注意してください[6、9、11、12]。広帯域光吸収現象はこれらのプラットフォームで実証されましたが、これらの方法は、高度な形状[6、18]、比較的有限の吸収帯域幅（<750 nm）[9、11、12]、または貴金属[8、10、11、18]。

半導体材料も、従来の薄膜デバイスと比較して、太陽エネルギーのコストが低く、変換効率が高いため、大きな関心を集めています[31、32、33、34、35、36、37、38、39]。ほとんどの太陽光吸収体は、その天然存在比とほぼ理想的なエネルギーバンドギャップのためにシリコン（Si）をベースにしています[31、34]。ただし、Si層の厚さが薄くなると、太陽電池の効率が制限されます。したがって、光トラッピングは現在、薄膜太陽電池の主要なトピックの1つになっています[38]。最近、ガリウムヒ素（GaAs）は、その独特の光学特性と高い変換効率[36,37,38,39]により、優れた競争相手になりました。これは、ソーラーハーベスティングで実験的に実証されています。たとえば、Massiot etal。は、吸収帯域幅が380 nm（450〜830 nm）の極薄GaAs層での広帯域多共振光収穫用の金属ナノグリッドを発表しました[40]。 Li etal。金ナノ粒子とGaAsナノワイヤアレイを組み合わせて、可視領域（300〜850 nm）で広い吸収帯を実現する太陽電池を提案しました[39]。ただし、それらの吸収帯はほぼ300〜1100nmの範囲内にあります。最近、GaAs格子をGaAs-タングステン（W）二層膜構造に配置することにより、完全な吸収体が得られました[40]。ただし、吸収（> 90％）帯域幅は1300nmにしか達しません。さらに、この構造では横磁気（TM）分極のみが考慮されます。

本研究では、半導体GaAsと高融点金属WおよびTiをベースにした実現可能な太陽光吸収体を提案します。インジウムスズ酸化物（ITO）反射防止（AR）ナノアンテナでコーティングされた1次元（1D）GaAsナノアンテナ周期アレイは、薄いW-GaAs-Ti3層フィルム構造上に配置されます。このソーラーアブソーバーは、表面プラズモンポラリトン（SPP）とともに、ガイドモード共鳴（GMR）とキャビティ共鳴モードの相乗効果により、可視領域と中赤外線領域にまたがる超広帯域吸収帯を示します。吸収が90％を超える帯域幅は、2400nmを超えています。吸収体は、入射光の角度と偏光に対しても優れた耐性を示します。さらに、61.947 mA / cm ² までの高い短絡電流密度 AM1.5太陽照明の下で達成されます。これらは、超小型で効率的な太陽電池と熱エミッターを実現するための新しい視点を提供します。

材料と方法

提案された吸収体の概略図を図1aに示します。 1D GaAsナノアンテナアレイは、ITOナノアンテナと薄い金属-半導体-金属（MSM）の3層フィルム構造で作られた単層ARアレイに挟まれています。貴金属は広帯域吸収構造を作るのに不可欠ですが、融点が低いという欠点があります[41]。さらに、サイズの小さい効果により、パターン化された貴金属ナノ構造の融点が大幅に低下します[42]。これらは、太陽光発電の動作温度に適合しない貴金属ナノ構造につながります。したがって、太陽光吸収体の安定性を維持するためには、超高熱安定性と光吸収能力を備えた材料が強く求められています。金属W、チタン（Ti）[6、17]、および半導体GaAs [36、37、39]はすべて高融点（室温でそれぞれ3422°C、1668°C、および1238°C）であるため、この作業では、超広い吸収帯を得るために使用されます。ナノアンテナの周期と幅は P で表されます。 および d 、 それぞれ。下のWフィルムの厚さは100nmです。 Ti膜とGaAs膜の厚さは、それぞれ h でマークされています。 ₁ および h ₂ 。 ITOおよびGaAsナノアンテナの厚さは t でマークされています ₁ および t ₂ 、 それぞれ。このアブソーバーの最適化されたパラメーターは P に設定されます =500 nm、 d =400 nm、 t ₁ =80 nm、 t ₂ =120 nm、 h ₁ =70 nm、および h ₂ =30nm。

a 提案されたソーラーアブソーバーの概略図。 b 太陽光吸収体（黒線）、MSMスタック構造（赤線）、およびGaAsナノアンテナのみでコーティングされたMSM構造（青線）の吸収スペクトル

この吸収体の光学性能と電磁界分布は、有限差分時間領域（FDTD）法によって計算されます[43]。 x では周期境界条件が採用されています z では、方向と完全一致レイヤーが使用されます 方向。 Ti、W、およびGaAsの誘電率はPalik [44]から取得され、ITOのインデックスは2.0 [35]です。特に指定のない限り、 x に沿った直線偏波の広い周波数平面波 軸は、ナノアンテナメタ表面の上部から照射され（つまり、TM偏光）、それらの間の距離は540nmです。送信（ T ）この吸収体では、下部に不透明な金属膜が使用されているため、ゼロに等しくなります。吸収（ A ）この吸収体の）は A で計算できます =1 − R 、ここで R 反射を示します。短絡電流密度を計算するために、長さ20 nm、幅500 nm、高さ500 nm、洗練されたメッシュ1.6 nmの有限領域が選択されます（他のパラメーターは、反射）。最小メッシュステップが0.25nmの不均一メッシュと、3つの波長領域（280–400 nm、401–1702 nm、および1705–4400 nm）の平面波を使用して、単純な2つを使用して標準太陽スペクトルを計算します。 -次元シミュレーション。提案された吸収体は、以下のステップとして製造することができます。（1）堆積法[45、46]を介して、シリカ基板上に特定の厚さのW、GaAs、およびTi膜を規則正しく堆積します。 （2）上で作製した構造上にフォトレジストの層を堆積し、それを電子ビームリソグラフィー[47]によってエッチングして、一次元ナノアンテナアレイを形成する。 （3）2番目のステップで製造された構造上に特定の厚さのGaAsおよびITO材料を連続的に堆積します。 （4）リフトオフ法により、GaAsおよびITO材料でコーティングされたフォトレジストナノアンテナを除去します。

結果と考察

図1bは、法線入射での最適化された吸収体の吸収スペクトルを示しています（「吸収体」、黒い線でマーク）。比較のために、MSM構造（「MSM」でマークされた赤い線）とGaAsナノアンテナのみでコーティングされたMSM構造（「ITO層のない構造」でマークされた青い線）の吸収スペクトルも図に示されています。 1b。単純なMSM3層フィルム構造の構造では、吸光度は70％未満です。 GaAsナノアンテナ周期アレイをMSM構造に配置すると、657〜2679nmの吸収が強化された超広帯域吸収帯が実現します。これは、ここでのGaAsナノアンテナアレイが広い波長範囲での強い吸収の原因であることを示しています。 991〜1455 nmおよび2004〜2388 nmの範囲の吸収強度はまだ90％未満であることに注意してください。提案された吸収体の場合、導入された厚さ80 nmのITOナノアンテナアレイは、吸収をさらに強化し、吸収帯を拡大します。 A> 90％を考慮に入れると、超広吸収現象が見られ、最大2402 nmの吸収帯域幅が可視、近赤外、および中赤外領域（468〜2870 nm）にまたがっています。平均吸収は95.5％まで増加します。これは、厚さ80 nmのITO層が反射防止の役割を果たし、GaAsナノアンテナの反射防止効果をさらに強化できるためです。さらに、80 nmの厚さのITO層は、シート抵抗を低くするのに十分な高さであるため、数百ミクロンを超えるキャリアの横方向の金属接点への横方向の輸送損失が低くなります[35]。その結果、貴金属-半導体複合システムに基づく吸収体よりも、吸収帯域幅と吸収効率の大幅な改善が達成されます[32、33、34、35、36、37]。大幅に拡大された吸収は、主にGMRとキャビティモードの励起とそれらの混成結合効果に起因します[18]。

電磁界分布（| E |および| H |）および電流密度（ J ）この吸収体のさまざまな波長（つまり、594 nm、1430 nm、および2586 nm）で調査されます。 594 nmでは、電界エネルギーは主にナノアンテナと空気の界面に集中し、強い磁界エネルギーはGaAsナノアンテナとITO層に存在します（図2a、b）。これらは、GMRとキャビティモードが励起されていることを示しています[18、26]。 GaAsナノアンテナの電流（図2c）は、この吸収増強に対するGaAsナノアンテナの有効性を確認しています[48、49]。 1430 nmでは、強い電界は主にナノアンテナの近くのエアスロットに存在し（図2d）、これは励起されたキャビティモードを意味します[18、26]。図2eでは、磁場エネルギーはGaAsナノアンテナ-Ti膜界面に位置しており、励起されたGMRとキャビティモードの両方が構造に結合した光に寄与し、GaAs膜-Tiの界面近くのSPPをさらに励起することを示しています。フィルム[9、18、20、39]。図2fに示すTi膜に分布する電流は、入射光が構造に完全に結合していることを示す強力な証拠です。 2586 nmでは、電磁エネルギーは主にナノアンテナ間のスロットとGaAsナノアンテナ-Ti膜とGaAs膜-W膜の界面に位置し（図2g、h）、電流は主にWフィルム（図2i）。これらは、GMR、SPP、およびキャビティモードによって構造の下にある層に結合された光を再び示しています。したがって、励起されたGMR、SPP、および空洞とそれらの相乗効果により、広帯域でほぼ完全な吸収がもたらされると結論付けられます[18]。

電界| E |、磁場| H |分布、および電流密度 J 594 nm（ a – c ）、1430 nm（ b – f ）、および2586 nm（ g – i ）、それぞれ

太陽光吸収体の実際の用途では、光の吸収は入射角と偏光角の影響を受けにくいはずです[2、3、6、18、20]。ただし、GaAs材料をベースにした吸収体のほとんどは、偏光角と入射角の調査を伴うことはめったにありません[36、39]。図3aは、斜め照射によるTM偏光下での提案された太陽光吸収体の吸収の変化を示しています。明らかに、吸収効果は468〜3000 nmの範囲でほぼ強力であり、入射角は最大55°で、中赤外領域の波長はわずかに減少します。入射角が55°を超えると、吸収帯は極端に減少します。図3bは、さまざまな偏光状態での光の吸収を示しています。ここで、0°はTM偏光に対応し、90°は横電気（TE）偏光に対応します。偏光角が0°から90°に増加すると、短波長領域と長波長領域（468–1010 nmおよび1800–3000 nm）で吸収を完全に維持できることが観察されます。近赤外領域では吸収が減少しますが、それでも50％を超えています。全体として、吸収の角度と偏光の鈍感性は、インピーダンスと固有損失の良好な一致に起因するはずです[18、19]。

調整可能な入射角（ a ）での太陽熱吸収体の吸収マッピング ）および偏光状態（ b ）

さらに、最適化された吸収体をAM 1.5光源の照明下に置くことにより、日射吸収調査を実行します。太陽吸収体は、主な太陽放射エネルギー分布領域にまたがる、可視、近赤外線、および中赤外線領域でほぼ完全な吸収を示します（図4a）。複数の共鳴状態が同時に発生するため、ほぼ単一の太陽エネルギーが吸収体によって捕捉されます。これらは、そのような構造における高い太陽エネルギー吸収効率を示しています。さらに、この吸収体に使用されている耐火材料は、温度が特定の範囲で上昇したときに、この構造の熱安定性を維持するのに役立ちます。したがって、提案された吸収体は、光電デバイスでより広い用途があると結論付けることができます[50]。

a 太陽放射照度AM1.5の標準スペクトルとAM1.5での太陽吸収体の太陽エネルギー吸収スペクトル。 b 太陽放射照度の全スペクトル範囲での太陽吸収体の吸収および失われたエネルギー

[36]で報告されているように、短絡電流密度 J _sc AM1.5の太陽照明は、\（{J} _ {\ mathrm {sc}} ={\ int} _ {400 \ \ mathrm {nm}} ^ {3000 \ \ mathrm {nm}} \ frac {で表されます。 e \ lambda} {hc} {\ Phi} _ {\ mathrm {AM} 1.5} \ left（\ lambda \ right）\ mathrm {A} \ left（\ lambda \ right）、\）ここで、 e は電子の電荷、 h プランク定数、λ は光の波長、Φ _AM1.5 （λ）はAM 1.5での日射量、A（λ ）は吸収であり、 c 光速です。ここでは、GaAsナノアンテナの厚さを他のパラメータを不変にして変更することにより、短絡電流密度を調査しました。 t の場合 ₂ を30から210nmに30nmのステップで調整すると、収集された光電流は図5に示すように導き出されます。厚さ t の強い規則性 ₂ J が _sc 主に300〜3000nmの範囲の共振モードの数に依存します。最大の J _sc 61.947 mA / cm ² に等しい t のときに取得されます ₂ =120 nm、これはMeng etalによって報告されたものよりはるかに大きいです。 （30.3 mA / cm ² ）[35]。

TM偏光下でのGaAsナノアンテナの厚さによる短絡電流密度

結論

薄いW-GaAs-Ti3層スタック構造上の単層ITOで覆われたGaAsナノアンテナに基づく太陽光吸収体を紹介します。超広帯域のほぼ完全な吸収体は、468〜2870 nmの波長範囲で達成され、平均吸収は95％を超えます。超広帯域吸収特性は、GMR、キャビティモード、およびSPPの相乗効果に由来します。超広帯域ソーラーパーフェクトアブソーバーは、温度に対する耐性が高く、入射光の角度と偏光に鈍感であり、最大61.947 mA / cm ² の最高の短絡電流密度を備えています。 。これらは、薄膜太陽電池、太陽エネルギーハーベスティング、およびサーマルエミッターを実現するための新しい視点を提供します。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この記事に含まれています。

略語

TM：

横磁気

1D：

一次元

AR：

反射防止

GMR：

ガイドモードの共振

SPP：

表面プラズモンポラリトン

MSM：

金属-半導体-金属

FDTD：

有限差分時間領域

TE：

横電気