吸光材料的表面形态对吸收率的影响

文摘

表面吸收率的三种形态,即。,V-type groove surface, sinusoidal surface, and random distribution, is investigated using a rigorous electromagnetic theory and a finite element method. Influences of surface contour parameters (span distance, intersection angle, and height) and light wave parameters (incident angle and wavelength) on absorptivity are numerically simulated and analyzed for the three kinds of surfaces, respectively. Absorbing spectra about three silicon wafers with different surface roughness are recorded, and the results are coincident with simulated results.

1。介绍

改善吸光材料的吸收率是非常重要的在激光加工、太阳能电池制造、和光敏探测器领域,表面形貌和表面粗糙度成为一个主要的因素影响材料的吸收率。当用一束激光热处理,表面光滑的金属材料只有不到百分之十的吸收率激光器(1],非金属材料的吸收率与激光光束的入射角,材料表面粗糙度的影响(2,3]。对金属和非金属材料,其吸收率可以通过调整材料表面粗糙度高度由于光线多次反射和吸收增加。太阳能电池可以辐射能量转移到电能,和它的吸收率是最重要的性能参数之一。许多方法可以用来提高吸收率太阳能灯,例如,覆盖一层表面具有高吸收率(4- - - - - -6),与金属纳米粒子掺杂激发表面等离子体极化激元(7- - - - - -9),和控制表面形态(10- - - - - -14];在这里,改善表面粗糙度是一种非常有效的方法。此外,提高太阳能辐射仪的性能,一些黑色涂层材料具有高吸收率是夸大了表面,其表面粗糙度变化(15]。因此,调查材料吸收率和吸光材料的表面粗糙度之间的关系是重要的。

李等人。15和苏等。16]分析了几种材料的光吸收能力与不同类型的表面morphology-based光线跟踪方法,取得了一些常见的特点改进光吸收率通过改变表面形态和派生的吸收率和表面形态参数之间的关系公式。陈等人。17)等价处理表面轮廓线,建立了计算模型表面粗糙度对激光吸收率的影响使用光线跟踪方法,并提供一个更方便的方法计算激光热处理领域的激光吸收率。

然而,光线跟踪方法是基于一个假设光沿着直线传播,只有有效的结构维度的表面形态特征吸收材料,例如,组织和跨时期的随机波动,远远大于入射光波长。但大部分表面随机波动的常见材料属于微米级秩序和接近可见光波长;因此,光线追踪方法不适合计算粗糙表面的吸收率。

在本文中,采用严格的电磁理论分析表面形貌和表面粗糙度的影响材料的吸收率。COMSOL多重物理量,这是一个商业软件,可以利用数值解偏微分方程基于有限元分析方法,用于解决麦克斯韦方程和模拟粗糙表面的吸收效果。三种表面轮廓的吸收率资料如v形槽结构,正弦波的结构,和随机波动结构数值计算,光吸收性能和表面形态参数之间的关系曲线。最后,吸收光谱的三个硅晶圆与不同表面粗糙度测量,结果与数值模拟结果基本上是一致的。

2。光线跟踪方法的缺点

光波是一种电磁波的性质,及其传播遵循麦克斯韦方程可以表示为 在哪里E和D表示电场强度矢量和电位移矢量,分别有关系 ,在哪里是介电常数。H和B磁场强度矢量和磁感应强度矢量,分别和有关系吗 ,在哪里磁介电常数。此外,J是电流密度, ,在哪里代表了导电性。

一个谐波可以表示为平面波 在哪里是圆频率,描绘了在真空波矢量和代表的光学路径长度和是一个真正的标量函数。

假设光波长可以近似为一个无限小的数量,一个方程可以推导出 ,在哪里代表了传播介质的折射率。各向同性的均匀介质,它可以来源于方程 光波沿着直线传播。

正如上面提到的,光线跟踪方法是有效的只有当满足三个条件:(1)谐波,(2) ,和(3) 。

如果一个单色平面波入射在材料表面光滑,无限,如图1根据菲涅耳公式(18),反射系数可以表示为 在哪里是材料的折射率,消光系数,入射角。如果吸收材料的厚度足以吸收所有传输光吸收材料对入射光的吸收率可以表示为 。

v形槽结构总是用来取代自然形成的表面轮廓剖面和粗糙的表面处理。根据光线跟踪方法,一束入射光会忍受多次反射在v形槽,如图2(一个)。在图2(一个),代表了开口宽度,一个v形槽的深度,是一个转角,有一个关系公式: 。光在v形槽整个吸收的比例可以被考虑在每一次反射获得根据方程(3)[15,16]。

正如上面提到的,光线跟踪方法可采用只有当打开宽度的v形槽远远大于入射光波长 。如果约等于或小于 ,v形槽的绕射和反射波之间的干涉必须被考虑。在这一刻,将复杂的光场分布,必须通过严格的电磁理论计算。

在图2 (b)的电场强度v形槽结构的分布 , ,和 显示。从图可以看出2 (b)由于考虑到许多次反射,衍射,严格的电磁理论和多波束干扰,最后光场分布是不均匀的,但结果不能通过光线跟踪方法。

3所示。仿真结果和分析基于严格的电磁理论

为了分析表面形态对吸收率的影响更全面,两种类型的表面轮廓采用配置文件,也就是说,常规的表面形态和随机表面形态。这里,常规的表面形态包括v形槽结构和正弦结构、二维对称和基本形状函数和常用于取代轮廓的粗糙表面。一个随机表面与正态分布有随机的高度值,更类似于现实的表面形态。

图3显示了三种不同的表面形态,v形槽结构,正弦结构和随机结构。

不同表面形态的吸收性能数值模拟和分析采用商业软件COMSOL波动光学模块的物理模型,基于有限元法的求解麦克斯韦方程。

仿真参数表中列出1。为了方便起见,进行结构被认为是和模拟区域大小10μ在水平方向上和10μ在垂直方向。左和右边界采用周期性边界条件,和上下边界使用“端口”边界条件。光线入射空气硅衬底。为了研究一般规则,吸收空气和硅的折射率和消光系数减去所有模拟光波长是不变的。

图4显示了三种网格细分图表面结构,其中上半部分是空气和下半身是晶体硅。为了保证解决方案的准确性,最大的网格尺寸小于 ,在哪里代表了入射光波长在真空和是空气或晶体硅的折射率。

3.1。吸收率与v形槽结构的表面形态参数

图5显示的吸收性能v形槽的表面结构。在这种情况下,光波波长 通常是晶体硅表面的事件与v形槽两种电磁极化模式:TE模式(E向量是垂直于水平面)和TM模式(H向量是垂直于水飞机)。在图5, - - - - - -轴表示v形槽和转角 - - - - - -轴代表吸收率。

从图可以看出5,有两个开口宽度 和 ,吸收率的TM模式比吸收率的TE模式,这是因为在模拟采用一个二维结构,即。、v形槽结构是不变的 - - - - - -轴,所以存在极化选择性。然而,对于三维v形槽结构,如图3,吸收性能应该由TE模式和TM模式混合的结果。因此,在随后的讨论中,总平均吸收率将TE模式和TM模式的价值。

此外,很明显在图54吸收率曲线大致倾向于减少以及增加角 ,这是类似于结果根据光线跟踪方法(15,16]。但是当这个角比较小,吸收率曲线有波动。外观可以解释为v形槽表面光波入射角度较小将承受更多的反映时间和存在更复杂的多波束干扰结果,但情况 ,光波只反映了一次,所以吸收率单调减少的分析方程(3)。

此外,它还可以看到从图5,相同的转角 ,对应于开口宽度的吸收率 比吸收率大 ,这是因为当数量是一个常数,开口宽度越大,意味着一个更深的v形槽和更多的光反射时间。

在光线跟踪方法,假设 ,光吸收率的光波长无关。但根据严格的电磁理论,光传播介质的性能是影响光波长。图6显示了吸收率不同曲线的v形槽结构与光波长时 , ,和 。在波长范围从0.4μ米1μm,吸收率只有弱的品种,但是当光波长继续增加,吸收能力会降低,吸收率曲线已越来越多的波动。这个结果可以解释如下:当打开宽度v形槽比光的波长,光波可以治疗大约与直光束传播路径,但当 和 ,v形槽表面可以作为一个等效均匀介质层(19,20.];反射率的波动以及增加光波长由于相当于电影的多波束干扰,同时,更大的光波长意味着薄膜厚度和吸收能力弱。

图7显示了吸收率随着光线入射角变化曲线当 和 。很明显,在三条曲线,吸收率与入射角大约减少了增加,但一个更大的转角对应于一个更大的吸光系数曲线的波动。这个样子可以解释如下:当转角很小,光波在v形槽将反映多次,这反映出次减少造成的光入射角变化可以忽略;但是,当较大,光波在v形槽,只存到少反映出次反映时间随入射角变化将是非常主要的。

3.2。吸收率与表面形态参数的正弦表面结构

正弦表面结构可以看作为钝化的v形槽结构,及其等价的转角可以表示为 ,在哪里意味着正弦的周期结构和表面振幅,如图8。

图9显示了吸收率不同曲线随着光波长假设T =1μ米, ,和 。从图可以看出9在整个范围从0.4μ米到4μ米,存在明显的波动,但吸收率随光波长增加,大约。

图10显示的吸收率不同曲线随着光线入射角正弦表面结构当 和 。它非常类似于图7的吸收率约减少增加入射角 ,但更大的转角对应于较大的吸光系数曲线的波动。

3.3。吸收率与表面形态参数正态分布的随机表面

共同的现实结构的高度自然或治疗表面通常是正常的随机分布,在高概率密度函数可以表示为 在哪里代表了概率密度的表面高度,pk是身高比例系数,和平均值、均方根值(RMS)的表面高度,分别。在本文中,正态分布随机表面 和 采用。

图11说明了随机的吸收率不同曲线表面结构不同的pk值,被定义为两个波峰之间的跨越距离的随机分布表面和 。很显然,当看到 和 ,有明显的吸收率不同曲线的波动,但当 ,吸光系数接近1,只有小波动。pk值越大,意味着更高的槽深和一个小转角,类似的病例数据7和10,所以当粗糙度足够高,吸收率的粗糙表面将独立光线入射角。

的吸收率不同曲线随机表面结构取不同的值显示在图12。当光线入射角小于60°,非常清楚的是,一个更小的距离值对应于一个更高的吸收比,但对于一个入射角大于60°,吸收率不同曲线有较大的波动,不存在明显的趋势变化价值。在大多数情况下,光波事件与入射角小于60°;一个相同的pk值和一个更小的值,对应于较高的表面粗糙度,将有一个更高的吸收比。

图13显示了该随机表面吸收率不同曲线的结构与光波长假设 , ,和 。可以看出,在整个范围从0.4μ米到4μ米,吸收率随光波增加约但有一些波动,和图一样9。

根据上面的分析,为提高硅的吸收能力减、随机表面结构应该有一个更大的pk值和一个更小的价值,适当的pk /区域的比例从0.5到10,因为更大的pk /价值是很难意识到当前的技术水平。此外,在上面的仿真中,硅衬底的消光系数是不变的对不同光波长,但事实上,晶体硅材料在可见光区域有较大的吸收能力但低吸收近红外光区域。考虑到上述仿真结果和硅材料的吸收特性,适当的波长区域从400纳米到600纳米。

4所示。实验验证

为了验证上述仿真和分析结果的有效性,三种粗硅晶片表面被认为是对吸收能力进行调查。

三个表面的粗糙度测量使用talyrond - 365型表面粗糙度测定仪由泰勒霍布森有限公司测量粗糙度曲线如图14。

在图14,y设在代表随机波动及其单位是微米。三个表面粗糙度曲线都是随机分布,属于三种表面,即。,smooth front surface, the rough rear surface, and the treated rear surface of a commercial silicon wafer, respectively. The contour arithmetic mean常被用来估计粗糙表面的粗糙度水平,然后呢三个表面如图140.0153μ0.9994米,μ0.9038米,μm,分别。

粗糙表面的光的反射属于漫反射。三个表面的漫反射光谱测量用一个设置如图15,白色的光发出卤钨灯(AvaLight-DHc)引导到积分球(AvaSphere-50)通过光纤,吸收了一部分入射白光测量粉末样品放置超过一个标准反射白板,和其他事件白光是分散在各个方向。散射光将分散第二或反复与积分球的墙壁相撞,所以多次碰撞后,剩余的散射光空间均匀分布在一个积分球。光纤连接器是用于指导的剩余部分散射光进入光纤光谱仪(AvaSpec-ULS2048-USB2)漫反射光谱测量。样品的吸收率可以表示为 ,在哪里代表了漫射光强度测量设置如图15和是标准的漫射光强度测量只反映白板。

图16显示了吸收光谱测量的三个表面。表面光滑,有一个值为0.0153μm和最低的粗糙度,因此它应该有最低的吸收光谱,它是按照图所示的结果16。图中可以看到14粗糙表面和粗糙表面处理有密切值(0.9994μm和0.9038μ米),但对粗糙表面有更多的间隔距离或转角比粗糙表面;因此,对粗糙表面应该降低吸收率,这也是一致的结果在图16。

5。结论

总之,三种表面的吸收率不同形态研究通过使用严格的电磁理论和有限元方法。三个表面是v形槽表面,正弦表面,表面随机分布和正逐渐接近现实的粗糙表面。的三个表面,表面轮廓参数的影响(跨越距离,转角,和高度)和光波参数(入射角和波长)吸收率流场进行数值模拟和分析。此外,吸收光谱三硅片与不同表面粗糙度测量,结果与仿真结果一致。

数据可用性

(图和表)数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

论文是由“项目科学研究的发展和完善北京信息科技大学”。

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