硅是我们的智能手机、光学传感器或屋顶太阳能电池中使用的基本材料。但是，硅只能微弱地吸收入射光，尤其是在可见光谱的红色部分，这是一个重大的突出挑战。

最近，荷兰特温特大学的科学家们通过大量计算发现，3D 纳米结构的背反射器大大增加了吸收。背反射器同样也由硅制成，便于与超薄硅膜集成。因此，下一代设备可以做得超薄，这使得新设备更加灵活和紧凑。

结果发表在领先期刊Optics Express 上（“3D 光子带隙背反射器增强薄和超薄硅膜的吸收”）。

图 1：薄型光伏电池的示意图，其中由于 3D 纳米结构背反射器（一种 3D 光子带隙晶体）可以彻底回收未吸收的光，从而增加了光的吸收。因此，即使是超薄光伏电池也可以收集更多的光（与没有这种背反射器的电池相比），从而产生更多的能量来驱动外部设备，如原理图灯。（图片由研究人员提供）

当入射光被硅等平板半导体材料吸收时，带负电的电子会从低能价带激发到高能导带，带正电的空穴（代表缺乏电子）也类似。

通过将电极连接到板上，收集电子和空穴并将其发送到电路中以驱动有用的设备。这个过程主要发生在太阳能电池内部，见图 1，其中收集的电流用于为 LED 供电，用于环境照明。

虽然厚硅板被广泛使用，但薄硅膜因其明显的可持续性而越来越受欢迎，因为它们需要更少的材料、更少的资源和更低的成本。然而不幸的是，薄和超薄的硅膜几乎不吸收光，尤其是在可见光谱中太阳辐射很多的长波长处。

换句话说，薄硅膜不是“黑色”的。因此，该团队着手研究背反射器如何回收未被吸收的光，并使其变得高度吸收或“黑色”。

图 2：对于 80 nm 超薄硅层，吸收增强，等于带背反射器的吸收与不带背反射器的吸收之比。红色曲线与具有 3D 光子带隙背反射器的超薄膜有关。蓝色虚线表示超薄膜带有一个假设的完美金属背反射器。绿线表示没有任何背反射器的超薄膜的参考水平 (= 1)。（图片由研究人员提供）

作为背反射器，Twente 团队研究了由两组垂直孔组成的类金刚石光子晶体，如图 1 所示。已知这种光子晶体具有创纪录的 3D 光子带隙。结果，该团队确实发现这种晶体是一种真正的全向、宽带和偏振稳健背反射器。

主要作者 Devashish 表示，我们的大量计算表明，即使是 80 纳米的超薄膜，光子背反射器也能产生惊人的 9.15 倍的吸收增强（见图 2）。由于光子结构的孔隙率，被戏称为‘多孔性’。

图 3：80 nm 超薄硅层的绝对吸收光谱（%）。红色曲线是带有 3D 光子晶体背反射器的超薄膜，蓝色虚线是带有完美金属背反射器的超薄膜。绿线代表没有任何背反射器的超薄膜的吸收，黑色实线作为参考水平（或 0%）。（图片由研究人员提供）

小组负责人 Vos 解释说，在薄硅膜中的这种强吸收（见图 3）也可以用量子物理图片来解释，即光子晶体在吸收膜下方充当有色电磁真空。入射光的吸收光被如此强烈地增强，以至于超薄硅会有效地变黑。

Twente 团队还预测，他们的多孔 3D 反向木桩结构为紧凑型片上传感器、光电二极管和相机的电荷耦合器件 (CCD) 提供了应用潜力（见图 4）。

图 4：薄电荷耦合器件 (CCD) 的示意图，其吸收也可以通过 3D 光子带隙背反射器增强。因此，这种 CCD 在收集光方面变得更加有效。（图片由研究人员提供）

此前，该团队报告了具有嵌入式谐振腔的逼真和有限 3D 硅光子带隙晶体的增强光吸收。发现吸收显着增强，然而，仅在微小的腔体积内，与当前情况相反，吸收发生在整个薄膜中。