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宽波段的光吸收增强机制摘要完美的电磁波吸收器件可以吸收所有的入射电磁场并且不会有任何的反射和透射，在很多应用中都起着非常重要的作用。而太阳光谱中可见光和近红外波段的吸收增强就显得更为突出了。一般而言，都是利用半导体材料吸收太阳光而直接实现光电转换，但由于吸收谱波长范围常常只是局限在很短的一个区间，所以太阳光的利用效率往往都不是很高。基于这个原因，很多的研究者都设法去找到一种材料或设计一种结构来实现宽波段的吸收增强，也确实有了一些很好的工作。本文将介绍先前一些有关宽波段的光吸收增强的工作，从而了解材料或物质结构对光吸收增强的机制。一、引言我们都知道半导体或绝缘体在近红外、可见光波段或紫外波段有一个吸收边。吸收边对应着材料中的能带结构中光跃迁的带隙，当入射的电磁波能量与带隙宽度相等时，材料将会吸收入射的电磁波，而较低能级上的电子将跃迁到较高能级，如图1。这就是传统意义上的带间吸收，这种带间吸收可以在所有的固体材料中观察到。而由于固体材料的能级结构限制，往往一种吸收体只能吸收某一非常有限波段的电磁波。这对于有如太阳光利用等问题起到了非常严重的限制。随着太阳能光伏等产业的兴起，太阳光的利用效率的提升一直成为制约太阳能产业发展的一个关键因素。而宽波段的光吸收增强可以有效提高太阳能的利用效率。除了利用半导体材料直接将太阳能实现光电转换，其他一些有效的方法就是先利用太阳能产生热能，然后通过又如热电材料[1]、高损耗的金属或纳米材料[2]再将热能转换为电能。近年来，微纳光学和微纳结构的加工技术得到了迅猛的发展。超材料，新奇结构的出现为构建良好的吸收器件提供了新的途径[3,4]。本文将主要介绍一些宽波段光吸收增强的特殊结构，从而了解光吸收增强的机制，为之后寻找更为有效的电磁波吸收器件提供一定的参考。图1.带间吸收示意图（初态为E：电子占据态，末态为E：空穴占据态。）if二、宽波段光吸收增强举例1、用于宽波段吸收增强的等离激元薄膜型太阳能电池的设计[5]Ref[5]中提出通过在Si薄膜表面的SiO设计一层一维周期Ag光栅结构，如图22（a）所示，由图2（b）（c）（d）比较可以看出，微纳光栅结构有明显的场增强作用，使光聚集在光栅附近，有利于激发载流子吸收。通过计算，这种结构相对于单层硅薄膜电池的短路电流可以提高43%。图2.一维Ag光栅太阳能电池（a）太阳能电池单元结构（b）单层硅磁场分布（c）650nmTM模的分布（d）505nmTM模分布这种结构同时利用了两个优势：（1）微纳结构周围的近场极其接近表面的等离激元的共振频率，（2）光栅阵列的优化使得Si薄膜支持波导的有效耦合。在表面等离激元共振频率附近，这些光栅阵列可以有效的集中光线。这是对于增强载流子的吸收最为关键的一点。文中还讨论了太阳能电池单元结构中的一些结构参数对于最后结果的影响。2、石墨烯中宽波段相干光学吸收增强[6]自从石墨烯发现以来，由于其优越的光电性质一直备受科学家们青睐。但由于石墨烯没有带隙结构，其对于电磁波的吸收一直困扰着研究者们。MingshengXu[6]等人提出了一个四层结构的装置，如图3可以显著地增强可见光波段的光吸收，这种结构不依赖与入射光的偏正状态，吸收增强主要由于层结构中的干涉和耗散。图3.多层石墨烯宽波段吸收装置图4.不同层石墨烯的吸收谱线（上-下：10、5、1）文中利用散射矩阵的方法，分析了石墨烯层厚度以及入射角和入射光波长与光吸收的关系。入射光在介质中传播，可以看成是在多层石墨烯中的散射问题，通过局域在多层石墨烯中的多次反射，使得多层石墨烯中产生共振激发，从而起到增强吸收的作用。实质上，石墨烯层厚度的改变可以改变石墨烯层的有效折射率，使得入射光能在石墨烯与基底层发生全内反射，从而使透射减弱；另一方面，在多层石墨烯中的光线经过散射，将从不同的角度透射出去，需要强调一下，用于耦合入射光的棱镜折射率高于多层石墨烯的有效折射率，文中由于入射角度选取在临界角附近，这就使得通过散射之后必然有大部分光线在上表面也发生全发射，进一步使反射减弱，基于这两个因素，实现了在多层石墨烯可见光波段的吸收增强，如图4。3、较大晶格常数硅纳米线阵列用于宽波段的光吸收增强[7]半导体纳米结构一直被认为是下一代太阳能电池很有潜力的体材料，主要是因为更高的能量转换效率以及较低的成本[8,9]。硅基半导体有很多突出的特点，一方面自然界有丰富的硅原材，无污染，另外已经有了很成熟的集成加工技术。其他研究者也报道过垂直分布的硅纳米线阵列呈现出低的反射率以及较强的宽波段吸收[10-12]。Ref[7]中提出了一种垂直分布的的SiNW阵列结构，如图5，太阳光从上至下垂直入射，并利用传输矩阵的方法计算了SiNW阵列结构晶格常数在100nm到600nm的光学性质。文章指出,固定输入速率时，增加SiNW阵列的