宽谱广角仿生减反射结构研究

摘要

减反射结构能够有效抑制光在结构表面的反射，从而增加光吸收、透射，其在光伏、光显示、光探测等多个领域有着广泛的应用。现有的减反射结构往往只能在较窄波段范围或者特定的入射光角度下发挥作用。因此亟需寻找一种宽谱广角的减反射结构，而自然界中生物经过亿万年的进化已产生了许多精巧的减反射微纳结构，这给新型高效减反射结构的设计带来了启迪。
　　本论文采用基于麦克斯韦电磁学理论，利用有限时域差分法研究了黑蚱蝉（Cryptotympana atrata Fabricius）透明膜翼以及蓝闪蝶（Morpho menelaus）蓝色蝶翅。在此基础上设计出类似“汉诺塔”（Tower of Hanoi）的锥形硅多层膜结构，使其兼具紫外-可见-近红外（300nm-1100nm）减反射性能和较低的角度依赖特性。本论文具体内容如下：
　　1.针对蝉翼凸起状结构建立了硅纳米锥模型并研究了其反射与其底部直径 S以及高度 L的关系，确定 S=150nm、L=500nm为其在300nm-1100nm波段最优减反结构参数，该参数的纳米锥结构在研究波段的平均反射低达1%。将优化的纳米锥结构与平板硅结构以及硅纳米柱结构进行了比较，从反射曲线、电磁场分布、能量吸收密度分布等多个方面证实了纳米锥结构优异的全波段减反射以及陷光性能。
　　2.仿照蓝闪蝶鳞片脊上的微结构建立了树枝模型并通过探究发现蓝闪蝶反射较低的角度依赖性来源于多层膜结构。据此建立了硅多层膜结构模型并引入减反依赖因子σ来衡量其反射依赖特性，研究发现膜层厚度L1与膜间厚度L2对P偏振光下的反射依赖性有着相反的调制作用，而S偏振光下的反射依赖性与L1、L2并无明显关系，通过对 L1、L2的优化可以使其拥有非偏振光下极低的反射依赖性能。“纳米锥+多层膜”复合锥形硅多层膜结构成功实现了在非偏振光下宽谱，广角减反性能的结合。
　　本论文的研究结果可以对硅基宽谱广角减反射器件的设计提供新的思路及有效的参考，本论文中采用的研究方法亦可用于其它材料减反微结构的设计。

目录

声明

第一章 绪论

1.1减反射结构研究进展

1.2生物低角度依赖及减反结构的研究进展

1.3硅基光伏器件减反陷光结构制备及模拟研究进展

1.4选题意义及研究内容

第二章 研究方法

2.1计算理论

2.2光学特性表征

第三章 仿蝉翼硅纳米锥结构设计

3.1引言

3.2模型的建立

3.3硅纳米锥结构参数优化

3.4几种硅结构减反以及陷光性能的比较

3.5角度依赖性研究

3.6本章小结

第四章 仿蓝闪蝶锥形硅多层膜结构设计

4.1引言

4.2蓝闪蝶入射角依赖性研究

4.3硅多层膜结构入射角度依赖研究

4.4“汉诺塔”减反射结构

4.5本章小结

第五章 结论与与展望

5.1本论文研究结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文