Поглотитель солнечной энергии на основе полупроводниковых наноантенн для захвата сверхширокополосного света

Введение

Солнечная энергия, как возобновляемая, чистая и широко распространенная энергия, широко изучается, поскольку ее можно преобразовать в другие виды энергии для широкого применения, такого как солнечные элементы [1,2,3], фотоэлектрические устройства [4, 5] и фотоэлементы. тепловые излучатели [6, 7]. Поскольку Лэнди и др. сообщили об идеальных поглотителях на основе трехслойных метаматериалов металл-изолятор-металл [8], было разработано множество увлекательных наноструктур для сбора и использования солнечной энергии [9,10,11,12,13,14 , 15,16,17,18,19,20,21]. Стоит отметить, что эффективное улавливание солнечной энергии является ключевым моментом для этих приложений. Поэтому для оценки эффективности сбора солнечной энергии обычно изучается реакция поглощения солнечной энергии поглотителями. Идеальный поглотитель обладает почти единичным поглощением в широком диапазоне длин волн.

В принципе, идеальный поглотитель означает хороший тепловой излучатель в том же диапазоне длин волн. Для данной температуры энергия излучения может быть хорошо описана и обнаружена по поглощению структурой [7]. Более того, коэффициент поглощения теплового излучения всегда равен излучательной способности в условиях теплового равновесия. Благородные металлические наноструктуры обычно используются для получения идеальных поглотителей, необычайного пропускания света или резонансов Фано за счет сильной связи света с поверхностными плазмонами [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Однако поглощенная солнечная энергия может привести к повышению температуры (т.е. тепловой нестабильности), что приведет к повреждению благородных металлических наноструктур с низкой температурой плавления [7]. Отметим, что структурная стабильность и устойчивость к высоким температурам могут быть гарантированы при использовании тугоплавких металлов вместо благородных металлов в поглотителях [6, 9, 11, 12]. Хотя явления широкополосного поглощения света были продемонстрированы на этих платформах, эти методы могут страдать от таких проблем, как сложная геометрия [6, 18], относительно конечная ширина полосы поглощения (<750 нм) [9, 11, 12] или большие требования к благородные металлы [8, 10, 11, 18].

Полупроводниковые материалы также вызывают большой интерес из-за их низкой стоимости и высокой эффективности преобразования солнечной энергии по сравнению с обычными тонкопленочными устройствами [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. Большинство солнечных поглотителей основано на кремнии (Si) из-за его естественного содержания и почти идеальной запрещенной зоны [31, 34]. Однако эффективность солнечных элементов ограничивается при уменьшении толщины слоев Si. Таким образом, улавливание света стало одной из основных тем в тонкопленочных солнечных элементах [38]. В последнее время арсенид галлия (GaAs) стал хорошим конкурентом из-за его уникальных оптических свойств и высокой эффективности преобразования [36,37,38,39], которые были экспериментально продемонстрированы при сборе солнечной энергии. Например, Massiot et al. представили металлическую наносетку для широкополосного мультирезонансного сбора света в ультратонких слоях GaAs с полосой поглощения 380 нм (от 450 до 830 нм) [40]. Ли и др. предложили солнечный элемент, объединив наночастицы золота и массивы нанопроволок GaAs, чтобы реализовать широкую полосу поглощения в видимой области (300–850 нм) [39]. Однако их полосы поглощения находятся почти в диапазоне 300–1100 нм. Недавно, поместив решетку GaAs на двухслойную пленочную структуру GaAs-вольфрам (W), мы получили идеальный поглотитель [40]. Однако ширина полосы поглощения (> 90%) достигает только 1300 нм. Кроме того, в этой структуре учитывается только поперечно-магнитная (TM) поляризация.

В данной работе предлагается возможный солнечный поглотитель на основе полупроводника GaAs и тугоплавких металлов W и Ti. На тонкую трехслойную пленочную структуру W-GaAs-Ti помещена одномерная (1D) матрица периодов наноантенн из GaAs, покрытая просветляющими (AR) наноантеннами из оксида индия и олова (ITO). Этот солнечный поглотитель имеет сверхширокую полосу поглощения, охватывающую видимую и среднюю инфракрасную области благодаря синергии резонансов направляющих мод (GMR) и резонансных мод полости вместе с поверхностными плазмонными поляритонами (SPP). Полоса пропускания с поглощением более 90% превышает 2400 нм. Поглотитель также демонстрирует хорошую устойчивость к углу и поляризации падающего света. Кроме того, высокая плотность тока короткого замыкания до 61,947 мА / см ² достигается при солнечном освещении AM1.5. Это открывает новые перспективы для создания сверхкомпактных эффективных фотоэлектрических элементов и термоэмиттеров.

Материалы и методы

Схема предлагаемого поглотителя представлена ​​на рис. 1а. Массив одномерных наноантенн на основе GaAs зажат между однослойным массивом AR, состоящим из наноантенн ITO и тонкой трехслойной пленочной структуры металл-полупроводник-металл (МСМ). Хотя благородные металлы незаменимы при создании широкополосных абсорбционных структур, они страдают низкой температурой плавления [41]. Кроме того, из-за эффекта малых размеров температуры плавления узорчатых наноструктур благородных металлов значительно снижаются [42]. Это приводит к созданию благородных металлических наноструктур, не соответствующих рабочей температуре солнечной фотовольтаики. Поэтому материалы со сверхвысокой термической стабильностью и светопоглощающей способностью крайне необходимы для сохранения стабильности поглотителей солнечного света. Металлический W, титан (Ti) [6, 17] и полупроводниковый GaAs [36, 37, 39] имеют высокие температуры плавления (3422 ° C, 1668 ° C и 1238 ° C при комнатной температуре соответственно) и, следовательно, используются в данной работе для получения сверхшироких полос поглощения. Период и ширина наноантенн обозначены как P . и d , соответственно. Толщина нижней пленки W 100 нм. Толщина пленок Ti и GaAs отмечена соответственно h . ₁ и h ₂ . Толщины наноантенн ITO и GaAs отмечены знаком t . ₁ и t ₂ , соответственно. Оптимизированные параметры этого поглотителя установлены на P =500 нм, d =400 нм, t ₁ =80 нм, t ₂ =120 нм, h ₁ =70 нм и h ₂ =30 нм.

а Схема предлагаемого солнечного поглотителя. б Спектры поглощения солнечного поглотителя (черная линия), стековой структуры МСМ (красная линия) и структуры МСМ, покрытой только наноантеннами из GaAs (синяя линия)

Оптические характеристики и распределение электромагнитного поля этого поглотителя рассчитываются методом конечных разностей во временной области (FDTD) [43]. Периодические границы используются в x направления и идеально совпадающие слои используются в z направления. Диэлектрические проницаемости Ti, W и GaAs взяты из Палика [44], индекс ITO равен 2,0 [35]. Если не указано иное, широкополосная плоская волна с линейной поляризацией вдоль x ось облучается сверху метаповерхности наноантенны (то есть поляризацией TM) с расстоянием 540 нм между ними. Коробка передач ( T ) в этом поглотителе равна нулю из-за непрозрачной металлической пленки внизу. Поглощение ( A ) этого поглотителя можно рассчитать по A =1 - R , где R обозначает отражение. Конечная область длиной 20 нм, шириной 500 нм и высотой 500 нм и мелкой сеткой 1,6 нм выбирается для расчета плотности тока короткого замыкания (другие параметры такие же, как и параметры, установленные при расчете отражение). Неоднородная сетка с минимальным шагом сетки 0,25 нм и плоская волна с тремя областями длин волн (280–400 нм, 401–1702 нм и 1705–4400 нм) используются для расчета стандартного солнечного спектра с использованием простых двух -мерное моделирование. Предлагаемый поглотитель может быть изготовлен в виде следующих этапов:(1) упорядоченное нанесение пленок W, GaAs и Ti определенной толщины на кремнеземную подложку методом осаждения [45, 46]; (2) нанесение слоя фоторезиста на структуру, изготовленную выше, и его травление с помощью электронно-лучевой литографии [47] для формирования одномерного массива наноантенн; (3) последовательное нанесение материалов GaAs и ITO определенной толщины на структуру, полученную на втором этапе; и (4) удаление наноантенн фоторезиста, покрытых материалами GaAs и ITO, методом отрыва.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1b показан спектр поглощения оптимизированного поглотителя при нормальном падении (отмечен «Поглотитель», черная линия). Для сравнения, спектры поглощения структуры МСМ (отмечены красной линией «МСМ») и структуры МСМ, покрытой только наноантеннами GaAs (отмечены синей линией «Структура без слоя ITO»), также показаны на рис. 1b. Для структуры с простой трехслойной пленочной структурой МСМ поглощение составляет менее 70%. Когда массив периодов наноантенны GaAs помещается на структуру МСМ, достигается сверхширокая полоса поглощения с усиленным поглощением от 657 до 2679 нм. Это указывает на то, что массив наноантенн GaAs здесь ответственен за сильное поглощение в широком диапазоне длин волн. Отметим, что интенсивности поглощения в диапазонах 991–1455 нм и 2004–2388 нм все еще меньше 90%. Для предлагаемого поглотителя введенная матрица наноантенн ITO толщиной 80 нм дополнительно усиливает поглощение и увеличивает полосу поглощения. Принимая во внимание A> 90%, обнаруживается явление сверхширокого поглощения с полосой поглощения до 2402 нм, охватывающее видимую, ближнюю и среднюю инфракрасную области (468–2870 нм). Среднее всасывание увеличено до 95,5%. Это связано с тем, что слой ITO толщиной 80 нм играет антиотражающую роль, что может еще больше усилить антиотражающий эффект наноантенн из GaAs. Более того, слой ITO толщиной 80 нм достаточно высок, чтобы обеспечить низкое поверхностное сопротивление, а значит, низкие боковые транспортные потери носителей на сотни микрон к боковым металлическим контактам [35]. Как следствие, достигается значительное улучшение ширины полосы поглощения и эффективности поглощения, больше, чем у поглотителей на основе композитных систем благородный металл-полупроводник [32,33,34,35,36,37]. Сильно увеличенное поглощение в основном происходит из-за возбуждения ГМС и мод резонатора и их гибридных эффектов связи [18].

Распределения электромагнитного поля (| E | и | H |) и плотности тока ( Дж ) этого поглотителя на разных длинах волн (т. е. 594 нм, 1430 нм и 2586 нм). На длине волны 594 нм энергия электрического поля в основном сосредоточена на границе раздела наноантенна-воздух, а энергия сильного магнитного поля сосредоточена в наноантенне GaAs и слое ITO (рис. 2a, b). Это указывает на возбуждение ГМС и мод резонатора [18, 26]. Электрический ток в наноантеннах из GaAs (рис. 2в) подтверждает эффективность наноантенн из GaAs для увеличения поглощения [48, 49]. На длине волны 1430 нм сильное электрическое поле существует в основном в воздушных зазорах вблизи наноантенн (рис. 2d), что указывает на возбужденные моды резонатора [18, 26]. На рис. 2e энергия магнитного поля расположена на границах раздела наноантенна GaAs-пленка Ti, что указывает на то, что возбужденные ГМС и моды резонатора вносят вклад в свет, попадающий в структуру, и дополнительно возбуждают плазмонно-плазменные волны вблизи границ раздела пленка GaAs-Ti. фильм [9, 18, 20, 39]. Электрический ток, распределенный в пленке Ti, показанной на рис. 2f, является убедительным доказательством того, что падающий свет полностью проникает в структуру. На длине волны 2586 нм электромагнитные энергии в основном располагаются в щелях между наноантеннами и на границах раздела пленка GaAs наноантенна-Ti и пленка GaAs-W (рис. 2g, h), а электрический ток в основном распространяется на верхней поверхности пленка W (рис. 2i). Они снова демонстрируют свет, попадающий в нижележащие слои структуры посредством GMR, SPP и мод резонатора. Таким образом, можно сделать вывод, что возбужденные GMR, SPP и резонатор и их синергия приводят к широкополосному и почти идеальному поглощению [18].

Электрическое поле | E |, магнитное поле | H | распределения и плотность тока Дж на 594 нм ( a - c ), 1430 нм ( b - е ) и 2586 нм ( г - я ) соответственно

При практическом применении солнечных поглотителей поглощение света должно быть менее чувствительным к углам падения и поляризации [2, 3, 6, 18, 20]. Однако большинство поглотителей на основе материала GaAs редко требуют исследования угла поляризации и угла падения [36, 39]. На рис. 3а показана эволюция поглощения для предложенного солнечного поглотителя при ТМ поляризации с наклонным облучением. Очевидно, что эффект поглощения почти устойчив в диапазоне 468–3000 нм с углом падения до 55 ° и лишь небольшим уменьшением длины волны в средней инфракрасной области. Полоса поглощения резко сократится, если угол падения превышает 55 °. На рисунке 3b показано поглощение света при различных состояниях поляризации, где 0 ° соответствует TM-поляризации, а 90 ° соответствует поперечно-электрической (TE) поляризации. Замечено, что поглощение может идеально поддерживаться в более коротковолновой и более длинной области длин волн (468–1010 нм и 1800–3000 нм), когда угол поляризации увеличивается от 0 до 90 °. Хотя поглощение уменьшается в ближней инфракрасной области, оно все еще превышает 50%. В целом, угловую и поляризационную нечувствительность поглощения следует отнести к хорошему согласованию импеданса и собственных потерь [18, 19].

Карта поглощения солнечного поглотителя под настраиваемым углом падения ( a ) и состояние поляризации ( b )

Далее мы проводим исследование поглощения солнечного света, помещая оптимизированный поглотитель под освещение источника AM 1.5. Поглотитель солнечной энергии показывает почти идеальное поглощение в видимой, ближней и средней инфракрасной областях, охватывая основные области распределения энергии солнечного излучения (рис. 4a). Поскольку несколько резонансных состояний возникают одновременно, поглотитель улавливает солнечную энергию, близкую к единице. Они демонстрируют высокую эффективность поглощения солнечной энергии в такой конструкции. Кроме того, используемые огнеупорные материалы в этом поглотителе способствуют поддержанию термической стабильности этой структуры при повышении температуры в определенном диапазоне. Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемый нами поглотитель имеет более широкое применение в фотоэлектрических устройствах [50].

а Стандартный спектр солнечного излучения AM 1.5 и спектр поглощения солнечной энергии солнечным поглотителем при AM 1.5. б Поглощенная и пропущенная энергия солнечного поглотителя во всем спектральном диапазоне солнечной яркости

Как сообщается в [36], плотность тока короткого замыкания Дж _sc для AM1.5 солнечное освещение описывается как \ ({J} _ {\ mathrm {sc}} ={\ int} _ {400 \ \ mathrm {nm}} ^ {3000 \ \ mathrm {nm}} \ frac { e \ lambda} {hc} {\ Phi} _ {\ mathrm {AM} 1.5} \ left (\ lambda \ right) \ mathrm {A} \ left (\ lambda \ right), \) где e - заряд электрона, h постоянная Планка, λ - длина волны света Φ _AM1,5 (λ) - яркость Солнца при AM 1,5, A ( λ ) - поглощение, а c это скорость света. В настоящей работе мы исследовали плотность тока короткого замыкания путем изменения толщины наноантенн из GaAs при неизменных других параметрах. Когда t ₂ настраивается от 30 до 210 нм с шагом 30 нм, собранный фототок получается, как показано на рис. 5. Сильная регулярность с толщиной t ₂ получается потому, что J _sc в основном полагается на количество резонансных мод в диапазоне 300–3000 нм. Максимальный J _sc равно 61,947 мА / см ² получается, когда t ₂ =120 нм, что намного больше, чем сообщалось Meng et al. (30,3 мА / см ² ) [35].

Плотность тока короткого замыкания с толщиной наноантенны GaAs в поляризованном свете TM