硅谷“金凤凰”：三角银纳米线的光学奇迹是怎样炼成的？

柯尼赛格

文|张博然的研究室
编辑|张博然的研究室
薄膜光伏器件虽然具有经济和环境上的吸引力，但由于太薄而难以充分吸收较长波长的太阳辐射，导致大量太阳能无法转化为电能而逸出。

为了提高器件性能，人们尝试通过多种方式增加吸收，包括等离子体光捕获方法，其中利用金属纳米结构中的等离子体共振来增强光吸收。这种等离子体增强可能导致金属中不期望的吸收损耗，限制了其应用前景。
形状细节也能够显著影响等离子体吸收增强和损耗性能。利用二维有限差分时间域模拟技术，在硅薄膜结构中嵌入三角形银纳米线进行研究。与球形和核壳型纳米结构相比，三角形纳米线在吸收增强和损耗性能方面表现得更优。
特别是当改变三角形的形状以形成更尖锐的尖端时，观察到吸收损失的大幅减少。形状的选择及其调整可能成为实现大吸收增强的关键因素，为薄膜光伏器件的性能提升提供了新的思路。

采用二维时域有限差分模拟方法，对嵌入硅薄膜光伏器件结构中的三角形银纳米线进行了全面评估，以了解其对光的吸收增强和损耗效应的影响。特别关注硅材料的近带隙吸收增强效果，并与其他类似模拟中报道的纳米结构进行了比较。
在相同条件下，的等边三角形纳米线展现出了惊人的368倍吸收增强效果，而实心球形和二维核壳型纳米结构分别只有5倍和15倍。这表明三角形纳米线对光的吸收增强具有明显优势，显示出了潜在的在光伏器件中应用的价值。
在纳米线中的金属部分存在较为显著的不良吸收损耗，其比硅材料中的吸收大约高出3.55倍，与球形纳米颗粒的报告值相当。进行了一系列形状优化实验，通过增加纳米线的高度形成更锋利的尖端。

通过这种方式，显著地减少了吸收损耗现象。在840纳米处的等离子体共振效应下，观察到底部为20纳米、高度为20纳米的纳米线的吸收损耗仅比硅中的吸收大约高出1.91倍。这种降低损耗的现象可以归因于较弱的等离子体共振效应。
这从纳米线空间吸收图中可以明显看出金属部分的吸收较低。即使对于较弱的等离子体共振，更锋利和更长的尖端仍然能够在尖端及其周围产生强烈的等离激元场强度，从而有效地提高硅材料的吸收面积。
纳米结构的形状及其优化在光伏应用中的等离子体吸收增强和损耗效应方面具有显著影响。通过调整纳米线的形状，能够在小幅损耗的基础上实现大幅吸收增强，为光伏器件的性能提升提供了新的思路。

这些发现对于开发更高效的光伏器件和太阳能电池具有重要意义，有望推动太阳能技术在未来的广泛应用。随着对纳米结构的深入研究和优化，能够更好地利用等离子体吸收增强效应，进一步提高太阳能转换效率，为可持续能源的发展做出更大的贡献。
采用了先进的模拟工具Lumerical FDTD，在二维平面上对嵌入硅薄膜光伏器件结构中的三角形银纳米线进行了详细模拟。模拟过程中使用了Palik数据库提供的Ag和Si材料模型，并在材料边界处应用了阶梯近似，以更准确地描述光的传播行为。
为了确保模拟结果的准确性，纳米线的金属区域被细分成了0.05纳米的网格，纳米线则放置在一个边长为1微米的方形模拟区域中，同时该区域充满了硅，并采用完美匹配层边界进行截断，以避免边界反射的影响。

在模拟中，采用横向磁极化的全场散射场源来激发纳米线中的局域等离激元模式，以研究其在光吸收方面的性能。记录了纳米线中心一个40 x 40纳米盒形区域内每个Yee单元的功率吸收，并根据FDTD模拟获得的电场值以及Yee单元的介电常数虚部计算功率吸收。
通过对不同波长下Ag和Si材料中的总吸收进行累加，并按光源功率进行标准化，能够评估纳米线的吸收增强效应，在近带隙吸收方面，等边三角形纳米线展现出令人惊叹的368倍吸收增强效果，远远超过其他纳米结构的报道值。
实心球形和二维核壳型纳米结构的吸收增强效果仅分别为5倍和15倍，这进一步证明了三角形纳米线在光伏应用中的潜力和优势。

在纳米线的金属部分存在较为显著的不良吸收损耗现象，其比硅材料中的吸收高出约3.55倍，与球形纳米颗粒相当，通过增加纳米线的高度，形成更锋利的尖端，成功降低了吸收损耗。
在840纳米处的等离子体共振效应下，底部为20纳米、高度为20纳米的纳米线的吸收损耗仅比硅中的吸收高出约1.91倍。这种降低损耗的现象可以归因于较弱的等离子体共振效应，从纳米线空间吸收图中可以明显看出金属部分的吸收较低。
即使在较弱的等离子体共振情况下，更锋利和更长的尖端仍然能够在尖端及其周围产生强烈的等离子体场强度，从而有效地提高硅材料的吸收面积。

展示了不同形状的纳米线对硅材料吸收的增强效应。实线对应于等边三角形纳米线，其三边长为20纳米，高度为17.5纳米。而实线对应于更尖锐的双边纳米线，其高度增加到20纳米，形成更尖锐的尖端。
虚线和表示了按比例缩小的纳米线金属部分的吸收损耗，这样缩放是为了改善图表的视图，因为金属的吸收要比其他材料大得多。线(c)显示了裸硅中的吸收情况，即没有纳米线的情况。
通过比较纳米线等离子体共振下硅吸收的值与相同波长下裸硅的吸收值，可以评估纳米线的吸收增强效应。纳米线在硅中太阳光吸收较差的波长范围内表现出多个强等离子体共振。特别是在等边纳米线的863纳米等离激元共振下，观察到了368倍的大吸收增强效应。

这一增强效应远远超过其他纳米结构的报道值。嵌入硅中的球形纳米颗粒在830纳米处的吸收仅增强了5倍，而核壳型纳米线的近带隙增强高达15倍。观察到具有5纳米半径的SiO2核和6纳米厚的Ag壳的核壳型纳米线在768纳米处的吸收增强为17倍。
三角形纳米线的等离子共振现象更为强烈，并且其形状对增强吸收效果更加有效。展示了等边纳米线在863纳米处的等离子振子共振情况，以及尖头双边纳米线在840纳米等离子共振处的情况。
在太阳能电池器件应用中，通过调整纳米线的形状和优化设计，可以实现显著的光吸收增强效果。这对于提高光伏器件的能量转换效率和性能至关重要。建议继续深入研究纳米结构的形状优化，以更好地利用等离子体吸收增强效应，从而进一步推动光伏技术的发展。

纳米压印光刻技术的应用提供了整合这些纳米线到大面积太阳能电池器件中的可行途径。通过在不同层中制造纳米线，使其能够引起等离子体共振，能够更好地实现对太阳辐射的完全吸收，从而进一步提高光伏器件的性能。
通过对纳米结构形状的优化，有望在光伏器件领域实现更高效的能量转换和更广泛的应用。这些纳米线的巨大吸收增强能力也可能为杂质光伏器件性能的提高带来新的机遇。
在863纳米处，纳米线金属中的不良吸收损耗比硅中的吸收大3.55倍。通过增加三角形纳米线的高度，形成更锋利的尖端，(c)栏显示了纳米线金属吸收损耗的较低值，从而增强了硅中吸收的比率。

在840纳米等离子体共振下，这种纳米线的吸收损耗只有硅吸收的1.91倍。这种下降可能是由于等离子共振效应较弱，从光学吸收减少中可以明显看出，尤其是在左下角附近。这表明即使对于较弱的等离子体共振，较尖锐的尖端也能产生较强的等离子体场强度。
较锋利且较长的尖端导致硅中更大面积的吸收增强。对于波长范围为600-950纳米的Si总吸收增强为22.7倍，而等边纳米线的总吸收增强为14.1倍。这些值通过计算中曲线下的面积与曲线下的面积之比得出。
尖头纳米线的金属总吸收损耗与Si增强吸收之比为2.61，而等边纳米线为3.94。PC1D模拟显示，在典型的1.4微米厚度的玻璃型薄膜硅太阳能电池晶体中，对AM1.5g辐射的600-900纳米光谱范围的短路电流增加了100%。

对于该模拟，通过各自波长处的等离子体吸收增强因子来缩放材料吸收文件中的吸收系数，假设多层嵌入纳米线将以这种方式增强吸收系数。
推测即使在硅吸收较差的波长范围内，具有多个尖锐尖端的形状优化的三维纳米线也能产生比损失更大的吸收增强。如果致力于开发低损耗等离子体材料，可能会取得一些进展，并且仅使用这些材料来制造本研究中讨论的纳米线可能会导致有利的吸收增强与损耗比。

研究评估了三角形银纳米线在薄膜硅太阳能电池应用中的吸收增强性能。与其他纳米结构相比，这些纳米线表现出更大的吸收增强效果。通过调整纳米线的形状，形成更锋利的尖端，可以降低吸收损耗。
这种降低损耗的效果明显是由于该纳米线中等离子共振效应较弱导致的。更锋利和更长的尖端可以有效地在尖端及其周围产生强烈的等离激元场强度。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qGIcPNg
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倪小平

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