本發(fā)明涉及微納米結(jié)構(gòu)陣列及太陽(yáng)能吸收領(lǐng)域，特別是涉及一種基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、化石燃料成本的增加和全球變暖的影響增加了尋找高效可再生能源的緊迫性。太陽(yáng)能作為一種可再生能源，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。由于太陽(yáng)能的豐富性、可持續(xù)性和清潔性，太陽(yáng)能可以用于供暖、制冷和發(fā)電生成和熱化學(xué)過(guò)程，因此，太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)由于其將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的有效方法而備受關(guān)注。cu2znsns4(czts)材料由于其可調(diào)直接帶隙、無(wú)毒性、豐富性等特點(diǎn)，在光催化、光檢測(cè)和薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，與其理論預(yù)測(cè)值相比，czts基材料的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率往往較低，這主要是由于體內(nèi)晶體缺陷、缺陷團(tuán)簇和表面缺陷較多，這些缺陷會(huì)限制太陽(yáng)能光的收集和光生電子的傳輸。雖然，元素替代，即用其他元素原子替換原吸收材料中的原子，以調(diào)整其缺陷密度并提高應(yīng)用性能。但實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率還是遠(yuǎn)低于理論值。其中一個(gè)重要原因是czts基系列材料在整個(gè)可見光波段的平均吸收率不到0.7。這嚴(yán)重限制了czts系列材料基器件的性能。
2、超表面(metasurface)是一種具有特殊電磁特性的人工微納光學(xué)天線按照一定方式進(jìn)行排列，形成準(zhǔn)二維平面結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射光相位、吸收、偏振、及振幅等的靈活調(diào)控，在光學(xué)透鏡、超分辨成像及光譜增強(qiáng)等方面有重要應(yīng)用。超表面包括金屬陣列結(jié)構(gòu)和介質(zhì)陣列結(jié)構(gòu)兩大類，金屬陣列結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)與金屬自由電子集體振蕩的表面等離激元共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)的選擇性吸收和散射，介質(zhì)陣列結(jié)構(gòu)除了存在與介質(zhì)電磁共振模式相關(guān)的入射光選擇性吸收和散射，還存在腔體共振模式(類似駐波)，可以近一步增加吸光材料對(duì)入射光的吸收程度。此外，當(dāng)入射光入射到搞折射率材料表面時(shí)，會(huì)由于折射率變化梯度過(guò)大，導(dǎo)致與自由空間的光學(xué)阻抗失配，因此可以在吸光材料表面覆蓋一層過(guò)渡層介質(zhì)膜，用以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
3、因此，將金屬結(jié)構(gòu)超表面、介質(zhì)結(jié)構(gòu)超表面、阻抗匹配層及傳統(tǒng)太陽(yáng)能吸收材料相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光高效吸收，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用率的有效方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明提供的超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器具有可見光吸收率高的優(yōu)點(diǎn)。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供了一種基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，從下往上依次為金屬襯底層、cu2znsns4基薄膜光吸收層和自由空間阻抗匹配層；
4、所述cu2znsns4基薄膜光吸收層上設(shè)置有金屬鋁納米盤陣列和al2o3介質(zhì)納米六面體陣列；
5、在距離所述金屬襯底層65nm高度處設(shè)置金屬鋁納米盤陣列；
6、在所述金屬鋁納米盤陣列中心的頂部設(shè)置al2o3介質(zhì)納米六面體陣列。
7、優(yōu)選的，所述金屬襯底層包括銀薄膜，所述金屬襯底層的厚度為100nm。
8、優(yōu)選的，所述cu2znsns4基薄膜光吸收層包括czts、cztse、cztsse、aczts、cztgs等所有i2-ii-iv-vi4型化合物半導(dǎo)體薄膜，所述cu2znsns4基薄膜光吸收層的厚度為500nm。
9、優(yōu)選的，所述自由空間阻抗匹配層為折射率為1.7的al2o3介質(zhì)薄膜，所述自由空間阻抗匹配層的厚度為40nm。
10、優(yōu)選的，所述金屬鋁納米盤陣列的厚度為50nm，直徑為160nm，陣列周期為200～300nm。
11、優(yōu)選的，所述al2o3介質(zhì)納米六面體陣列的折射率為1.7，厚度為220nm，長(zhǎng)度為200nm，寬度為200nm。
12、本發(fā)明還提供了一種上述技術(shù)方案所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器的制備方法，包括以下步驟：
13、s1.以所述金屬襯底層作為吸收器支撐層和入射光反射層；
14、s2.以cu2znsns4基薄膜光吸收層作為可見光吸收層，并在其中距離所述金屬襯底層上表面面高度為65nm的位置嵌入金屬鋁納米盤陣列；
15、s3.在所述cu2znsns4基薄膜光吸收層表面且金屬納米盤陣列中心的頂部嵌入介質(zhì)納米六面體陣列；
16、s4.在所述cu2znsns4基薄膜光吸收層上覆蓋自由空間阻抗匹配層，得到基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器。
17、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器在提高可見光吸收率中的應(yīng)用。
18、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器在降低可見光反射率中的應(yīng)用。
19、優(yōu)選的，在380～820nm范圍內(nèi)降低可見光反射率和提高可見光吸收率。
20、本發(fā)明利用超表面的入射光調(diào)控能力來(lái)提升czts基系列材料的太陽(yáng)能可見光波段吸收效率。通過(guò)金屬鋁納米盤陣列的表面等離激元共振來(lái)增加入射光的光學(xué)吸收截面；通過(guò)al2o3介質(zhì)納米六面體陣列的腔體共振來(lái)增加入射光與czts系列材料的作用次數(shù)；通過(guò)自由空間阻抗匹配層來(lái)降低入射光在czts基系列材料表面折射率躍變梯度，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配條件。三者結(jié)合形成能夠高吸收效率的可見光吸收器。
21、本發(fā)明的有益效果：
22、1、本發(fā)明基于金屬鋁納米盤陣列超表面的表面等離激元共振，極大增加了長(zhǎng)波段太陽(yáng)光的吸收截面。
23、2、本發(fā)明基于al2o3介質(zhì)納米六面體陣列超表面的腔體共振，極大增加了太陽(yáng)光與傳統(tǒng)吸收材料的相互作用次數(shù)。
24、3、本發(fā)明所述的自由空間阻抗匹配層能夠?qū)p小太陽(yáng)光吸收材料上表面對(duì)入射光的反射，最大限度的實(shí)現(xiàn)入射可見光的吸收。
1.一種基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，從下往上依次為金屬襯底層、cu2znsns4基薄膜光吸收層和自由空間阻抗匹配層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，所述金屬襯底層包括銀薄膜，所述金屬襯底層的厚度為100nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，所述cu2znsns4基薄膜光吸收層包括czts、cztse、cztsse、aczts、cztgs等所有i2-ii-iv-vi4型化合物半導(dǎo)體薄膜，所述cu2znsns4基薄膜光吸收層的厚度為500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，所述自由空間阻抗匹配層為折射率為1.7的al2o3介質(zhì)薄膜，所述自由空間阻抗匹配層的厚度為40nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，所述金屬鋁納米盤陣列的厚度為50nm，直徑為160nm，陣列周期為200～300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器，其特征在于，所述al2o3介質(zhì)納米六面體陣列的折射率為1.7，厚度為220nm，長(zhǎng)度為200nm，寬度為200nm。
7.一種權(quán)利要求1所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器在提高可見光吸收率中的應(yīng)用。
9.權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的基于超表面的cu2znsns4基可見光高效吸收器在降低可見光反射率中的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的應(yīng)用，其特征在于，在380～820nm范圍內(nèi)降低可見光反射率和提高可見光吸收率。