[論文レビュー] Optimization of optical absorption in thin layers of amorphous silicon enhanced by silver nanospheres

Mikhail Omelyanovich, Younes Ra’di+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Thin-Film Transistor Technologies参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、銀ナノスフェアを用いて強化されたアモルファスシリコンメタサーフェスを提案する。このメタサーフェスは、Huygens型の完全なプラズモニック吸収体として機能し、510 THzで97%の吸収率を達成する。金属部における寄生損失は最小限に抑えられる。この設計により、内在的a-Si層における効率的な光捕集が可能となり、狭帯域照明下での超薄型で高効率な太陽電池に最適である。

ABSTRACT

We study a highly controllable perfect plasmonic absorber -- a thin metamaterial layer which possess balanced electric and magnetic responses in some frequency range. We show that this regime is compatible with both metal-backed variant of the structure or its semitransparent variant. This regime can be implemented in a prospective thin-film photovoltaic cell with negligible parasitic losses.

研究の動機と目的

• プラズモニックナノ構造を用いて、高効率で低損失の光捕集構造を薄膜太陽電池に開発すること。
• 従来のプラズモニック光捕集設計において効率を損なう金属部の寄生吸収という重要な問題に取り組むこと。
• 電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントがバランスをとったHuygensメタサーフェスが、近似的に完全な吸収を達成するとともに金属損失を最小限に抑えることができることを示すこと。
• 金属バックエンド型および半透明型を含む実用的な太陽電池構成における吸収領域の頑健性を検証すること。
• コア-シェル型Agナノスフェアを自己集合で形成する、実用的でスケーラブルなプロセスを同定すること。

提案手法

• 2つの独立したソルバーを用いて、周期的配置の銀ナノスフェアが埋め込まれた内在的アモルファスシリコン層の数値シミュレーションを実施し、妥当性を検証する。
• Mie理論および電磁界解析を用いて、ユニットセルにおける集団的双極子共鳴と磁気応答を同定する。
• 電場ベクトルマップと偏光電流密度の計算を用いて、表面波の挙動と局所的共鳴モードを区別する。
• 電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントがバランスをとったHuygensメタサーフェス構成を実装し、反射率をほぼゼロに、吸収率をほぼ100%に達成する。
• 幾何パラメータ（球体半径、格子周期、層厚さ）を系統的に変化させ、吸収率、反射率、透過率スペクトルを分析する。
• プラズモニック吸収体とアンチリフレクションベースライン構造を比較し、性能向上の程度を定量化するとともに、Agナノスフェアの必要性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アモルファスシリコン中に配置されたAgナノスフェアからなるHuygensメタサーフェスは、金属部における寄生損失を最小限に抑えつつ、近似的に完全な吸収を達成できるか？
• RQ2 動作周波数帯域全域において、内在的a-Si層の吸収とAgナノスフェア内の損失はどのように比較されるか？
• RQ3 斜入射および偏光（TE/TM）が変化する条件下でも、光捕集メカニズムは有効に機能するか？
• RQ4 内在的a-Si層を薄くした場合や、Agナノスフェアを非対称に配置した場合でも、吸収器は高い効率を維持できるか？
• RQ5 プラズモニック吸収器は、寄生透過および吸収を防ぐ点で、単純なアンチリフレクションコーティングよりも顕著に優れているか？

主な発見

• 電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴が同時に発現するバランスの取れたHuygensモードのおかげで、510 THzで97%の吸収率を達成した。
• 銀ナノスフェア内の寄生吸収は低く抑えられ（ピークでわずか7%）、吸収の大部分（90%以上）は内在的a-Si層で発生した。
• 入射角が30°まででもほぼ完全な吸収（100%に近い）を維持し、偏光（TE/TM）に対しては弱い感度を示した。
• 内在的a-Si層の厚さを272 nmから184 nmに減らしても性能に劣化は認められず、層の下部への電場の浸透が最小限であることが示された。
• nドープa-Si層上にAgナノスフェアを非対称に配置しても、同じ吸収プロファイルが維持され、簡素なプロセスが可能となった。
• 440–560 THzの周波数帯域で透過率はわずか3%にとどまり、強い吸収を確認した。また、アンチリフレクションコーティングよりも寄生損失を40%以上低減し、優れた性能を示した。