3.1　一維簡單光柵輻射特性研究

3.1.1　一維簡單光柵結構和材料

圖3-1所示為一個一維簡單光柵在入射角為θ的橫磁波（TM波）入射下的示意圖。此入射橫磁波的磁場H的振蕩方向沿著一維簡單光柵槽的延伸方向并且垂直于入射平面，電場E的振蕩方向在入射平面內并垂直于磁場方向。入射波的波矢k可以分解為分別沿著x軸和z軸的波矢分量kx和kz。圖中所示一維簡單光柵的結構由光柵周期Λ、凹槽深度（或背脊高度）h、背脊寬度d以及凹槽寬度t決定。其中，一維簡單光柵的一個周期內包含一個背脊和一個凹槽，也就是說光柵周期的長度為背脊寬度和凹槽寬度之和，即Λ=d+t。此處光柵的填充比定義為背脊寬度和光柵周期的比值，即f=d/Λ，并且d=fΛ，t=（1-f）Λ。

圖3-1　一維簡單硅光柵結構示意圖

晶體硅作為一種高折射率，損耗小的電介質材料，在太陽能電池、微處理器等微電子領域有廣泛的應用。電子束光刻技術作為硅材料微結構加工的主要技術之一，現已非常成熟，并且在表面光柵的加工中應用廣泛。因此，在本課題的研究中，所有光柵結構的材料都是晶體硅。

地面上能夠觀察到的太陽輻射的波長范圍為295～2500nm。晶體硅的禁帶寬度為1.12ev，其對應的截止波長為1107nm。也就是說，當入射光的波長大于1107nm時，將不能在晶體硅中激發空穴電子對，無法產生光電流。此外，當入射光的波長低于300nm時，熱發射不明顯；并且在很短的波長范圍時，硅電池表面的滲透深度很短且電子空穴對的重組速率非常快，此時太陽能電池的光電轉換效率非常低。因此，在本文中，涉及的太陽光波段為300～1100nm，并且以空氣質量AM1.5g（g指總的輻射，即包含直接的輻射和散射的輻射）作為入射到太陽能電池上的標準光譜輻射。定義300～1100nm波段的平均吸收率如下：

式中：αλ為光柵結構對入射光的光譜吸收率；Eλ_AM1.5為AM1.5對應的太陽光譜輻照度；EAM1.5為整個計算波段AM1.5對應的總的太陽光輻照度。

3.1.2　不同參數對一維簡單光柵輻射特性的影響

圖3-2　各參數對一維簡單光柵光譜吸收率的影響

（a）不同背脊高度（或凹槽深度）下，一維簡單光柵的光譜吸收率；（b）不同填充比下一維簡單光柵的光譜吸收率；（c）不同太陽光入射角下，一維簡單光柵的光譜吸收率

圖3-2給出了不同參數對一維簡單光柵光譜吸收率的影響。其中，圖3-2（a）所示是光柵周期為120nm、背脊寬度和凹槽寬度均為60nm的一維簡單硅光柵在TM波垂直入射時，光譜吸收率隨背脊高度（或凹槽深度）h的變化。從圖3-2（a）中可以很明顯地看到，一維簡單光柵的光譜吸收率比硅平面高很多；并且隨著光柵背脊高度的增加，由于空腔諧振效應的作用，光譜吸收率曲線出現更多的波峰和波谷。為更加明確地說明背脊高度對吸收率的影響，計算了h為Onm、50nm、100nm以及200nm的光柵結構在300～1100nm波段范圍的平均吸收率，分別為0.6311、0.8188、0.8635和0.8215。從上述平均吸收率可以發現，吸收率并不是隨著高度的增加而一直增加。因此，對一個特定結構的一維簡單光柵，有一個最優的背脊高度對應最大的吸收率。圖3-2（b）所示是光柵周期為120nm、背脊高度（或凹槽深度）為100nm的一維簡單硅光柵在TM波垂直入射時，光譜吸收率隨填充比f的變化。此光柵結構在填充比f為0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.0下的平均吸收率分別為0.6311、0.6614，0.7677、0.8635、0.8868、0.7818以及0.6311。從上述光譜吸收率和平均吸收率可以發現，隨著填充比f的增大，吸收率先增大后下降，并且在f=0.7時有最大的吸收率。圖3-2（c）所示是光柵周期為120nm、背脊寬度和凹槽寬度均為60nm、背脊高度（或凹槽深度）為100nm時，光譜吸收率隨入射角度θ的變化。此光柵結構在入射角為0°、15°、30°、45°、60°和75°下的平均吸收率分別為0.8635、0.8632、0.8577、0.8343、0.7615和0.5566。從上述吸收率的變化可以發現，隨著入射角度的增大，平均吸收率的值逐漸減小。

從圖3-2可以發現一維簡單硅光柵存在吸收峰值較窄且對入射角度依賴較大的劣勢，使得一維簡單光柵不適合做太陽能電池吸收表面。因此，提出了一維復雜凹形光柵結構來解決一維簡單光柵存在的問題。