[論文レビュー] Experimental demonstration of broadband absorption enhancement in partially aperiodic silicon nanohole structures

Chenxi Lin, Luis Javier Martínez+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 26被引用数 38

ひとこと要約

本論文では、ランダムウォーク最適化アルゴリズムを用いて部分的に準周期的なアレイを設計することで、シリコンナノホール構造における広帯域吸収増幅を実証した。実験結果では、周期的アレイと比較して吸収が4.9倍向上しており、測定値とシミュレーションの間に強い一致が得られ、薄膜シリコン太陽電池における効率的な光捕集が可能となった。

ABSTRACT

We report the design, fabrication, and optical absorption measurement of silicon membranes patterned with partially aperiodic nanohole structures. We demonstrate excellent agreement between measurement and simulations. We optimize a partially aperiodic structure using a random walk algorithm and demonstrate an experimental broadband absorption of 4.9 times that of a periodic array.

研究の動機と目的

• 広帯域光学吸収を向上させるために、部分的に準周期的なシリコンナノホール構造の設計および作製を目的とする。
• 広い波長範囲にわたり高い吸収を達成するための周期的ナノ構造の限界を克服することを目的とする。
• ランダムウォークアルゴリズムを用いてナノホールの幾何形状を最適化し、薄いシリコン膜における吸収を最大化することを目的とする。
• シミュレーションの予測を実験的に検証し、顕著な吸収増幅を示すこと。

提案手法

• 広帯域吸収を最大化するために、シリコン膜内のナノホールの位置およびサイズを最適化するためにランダムウォークアルゴリズムが用いられた。
• 部分的に準周期的な構造は、電子ビームリソグラフィーおよび誘導結合プラズマ（ICP）エッチングを用いて作製された。
• 光学的吸収は、400–1000 nmの波長範囲でフォーリエ変換赤外分光計（FTIR）を用いて測定された。
• 電磁界応答をモデル化し、設計を支援するために、厳密なカップルドウェーブ解析（RCWA）を用いたシミュレーションが実施された。
• 作製された構造は、平均的なホール密度および幾何形状が同一の周期的リファレンスアレイと比較された。
• 測定値とシミュレーション結果の一致から、設計手法の妥当性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的に準周期的なシリコンナノホール構造は、薄膜シリコンにおいて周期的アレイよりも広範かつ高い吸収を達成できるか？
• RQ2 ランダムウォーク最適化アルゴリズムは、ナノホールアレイにおける広帯域吸収をどのように向上させるか？
• RQ3 構造的準周期性は、シリコン膜における光捕集をどの程度向上させるか？
• RQ4 非周期的ナノ構造におけるシミュレーション予測された吸収増幅の実験的検証はどのように行われたか？
• RQ5 最適化された部分的に準周期的構造の吸収特性は、周期的構造と定量的に比較してどの程度優れているか？

主な発見

• 部分的に準周期的なシリコンナノホール構造は、周期的アレイ比で実験的に4.9倍の広帯域吸収増幅を達成した。
• 測定された吸収は、400–1000 nmの波長範囲全域で周期的リファレンスよりも一貫して高く、優位であった。
• 実験測定値とシミュレーション結果の間で優れた一致が観察され、設計手法の妥当性が裏付けられた。
• 最適化プロセスにより、光捕集を強化する非周期的配置が的確に同定された。
• 増幅は、広帯域準ガイドモードおよび準周期的構造における散乱の低減に起因する。
• 本結果は、準周期的ナノ構造を用いることで、薄膜フォトボルタイクデバイスにおける吸収を顕著に向上させられることを示している。