Perfect light absorption at subwavelength scale is promising for various applications in terms of cost, flexibility, weight and electrical performance. Especially, ultrathin form of them have a number of applications that is related to photon-to-carrier conversion processes. They can provide near-unity internal quantum efficiency since they absorbs most of incident light and the diffusion length of generated charge carriers exceeds the film thickness, minimizing the recombination loss. However, achieving incident angle-/polarization-independent perfect absorption within desired wavelength range without any lithographic procedures remains a challenge. Recently, it is reported that lossy semiconductors on metal substrates show omnidirectional absorption at the resonance wavelength. By in depth analysis, we reveal that radiative and non-radiative modes coexist, and a radiative mode can be coupled only when the semiconductor layer is ultrathin, while non-radiative mode exist independent on the semiconductor layer thickness. However, the resonance wavelength range is narrow due to the high refractive index contrast (impedance mismatch) between the lossy semiconductor and air.
In this work, we experimentally demonstrate highly omnidirectional, broadband and lithography-free superabsorber by introducing impedance matching layers on top of the lossy semiconductor/metal configurations. This layer not only improve absorption, but also act as a passivation layer to increase electrical performances. Unlike conventional anti-reflection (AR) coatings with quarter-wave-thick, our superabsorbers are much thinner (~$\lambda$/7.4). The superabsorbers show day-integrated solar energy absorption up to 96%, which is 32% enhanced when compared to the lossy semiconductor/metal absorbers. Moreover, this method can be generally applied to other highly lossy semiconductors including emerging 2D materials.
서브 파장 스케일에서의 완벽한 광 흡수는 비용, 유연성, 무게 및 전기적 성능면에서 다양한 응용 분야에서 유망하다. 특히, 초박막 형태의 흡수체는 광자-캐리어 변환 프로세스와 관련된 많은 어플리케이션에 활용될 수 있다. 완벽 흡수체는 입사광의 대부분을 흡수하고, 생성된 전하 캐리어의 확산 길이가 박막의 두께를 초과하여 재결합 손실을 최소화하기 때문에 거의 단일 내부 양자 효율을 제공 할 수 있다. 그러나, 고비용이 요구되는 식각 공정없이 원하는 파장 범위 내에서 입사각과 편광에 무 의존적인 완벽한 흡수체를 만드는 것은 여전히 도전 과제로 남아있다. 최근 금속 기판상에 손실이 있는 반도체는 공진 파장에서 입사각 무 의존적인 흡수를 나타내는 현상이 보고되었다. 우리는 심층적 분석을 통해, 방사 및 비방사 모드가 공존하며, 방사 모드는 반도체 층이 초박형인 경우에만 존재할 수 있는 반면, 비방사 모드는 반도체 층 두께에 독립적으로 존재 함을 밝혔다. 그러나, 손실이 큰 반도체와 공기 사이의 높은 굴절률 차이(임피던스 불일치)로 인해 공진 파장 범위가 좁다는 단점이 여전히 남아있다.
이 연구에서 우리는 손실이 있는 반도체/금속 구성 위에 임피던스 정합층을 도입함으로써 전 방향성, 전 광대역 및 식각 공정이 없는 초박막 완벽 흡수체를 보였다. 임피던스 정합층은 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라 전기적 성능을 향상시키는 보호층으로도 작용합니다. $\lambda$/4 두께의 기존의 반사방지 코팅과는 달리, 우리의 초박막 완벽 흡수체는 훨씬 더 얇다 (~$\lambda$/7.4). 이 흡수체는 임피던스 정합층이 없는 경우에 비해 32 % 향상되었고, 평균 태양 에너지 흡수율은 96%에 달한다. 또한, 이 방법은 특정 물질에 국한되지 않고, 2D 재료를 포함하여 다른 손실이 있는 반도체에도 일반적으로 적용될 수 있음을 보였다.