Высокоэффективный широкополосный солнечный абсорбер на основе многослойных наночастиц вольфрама

Аннотация

Мы представляем теоретическое исследование широкополосного солнечного поглотителя, использующего многослойный стек слоев наночастиц вольфрама, разделенных диэлектрическими пленками SiO₂. Численные симуляции демонстрируют среднюю поглощаемость превышающую 94% в диапазоне 400–2500 нм. Высокая производительность исходит от синергетического сочетания локализованного поверхностного плазмонного резонанса в вольфрамовских наносферах и Фабри-Перо резонансов в металл-диэлектрическом стеке. Сравнительные исследования указывают, что железо может служить стоимостно-эффективной альтернативой вольфраму, сохраняя сопоставимую оптическую производительность. Плоская металл-диэлектрик-металл (MDM) конфигурация также изучается, подтверждая ее сильное широкополосное поглощение.

Введение

Солнечные энергетические системы привлекли растущее внимание в последние десятилетия из-за беспрестанного истощения конвенционального топлива и ускоряющегося экологического кризиса. Преобразование солнечного света в электричество или тепло с минимальным загрязнением является краеугольным камнем стратегий устойчивой энергетики. Тем не менее, преобладающие технологии — термофотовольтаические (ТФВ) модули, солнечные парогенераторы и солнечные водонагреватели — страдают от коэффициентов конверсии, редко превышающих 20% под идеальными оптическими условиями [1]. Повышение эффективности поглощения света солнечным коллектором поэтому критично для усиления общей системной производительности.

Широкополосное поглощение может быть достигнуто через резонансные явления, такие как поверхностные плазмонные полярцитоны (SPP), локализованные поверхностные плазмоны (LSP) и магнитные резонансы [2]. Однако многие сообщенные поглотители полагаются на одиночный резонанс и не покрывают весь солнечный спектр (200–3000 нм). Общая стратегия — стопка нескольких резонансных слоев так, чтобы несколько мод перекрывались, производя широкую, почти идеальную поглощающую полосу. Типичные дизайны включают плоские металл-диэлектрик-металл (MDM) стеки, пирамидальные многослойные и решетка-усиленные структуры [3]–[6]. Хотя эффективны, эти архитектуры часто требуют сложной фабрикации и демонстрируют чувствительность к вариациям обработки.

Выбор материала равно важен. Благородные металлы, такие как золото и серебро, демонстрируют почти идеальное поглощение в видимом диапазоне, но плохо работают за его пределами, и их температуры плавления (~1000 °C) ограничивают стабильность под высокотемпературной эксплуатацией [9]–[13]. Вольфрам, напротив, обладает высокой температурой плавления, химической стойкостью и сильным широкополосным поглощением, делая его де-факто металлом для солнечно-энергетических применений [14]. В данном исследовании мы исследуем вольфрам и, как стоимостно-эффективную альтернативу, железо как наночастичный constituент в многослойном поглотителе.

Сначала мы вводим трехмерный наночастичный поглотитель (NPA) и представляем результаты симуляции. Затем мы объясняем базовые механизмы поглощения, сравниваем NPA с плоским MDM поглотителем (FMA) и наконец бенчмаркируем производительность вольфрама против железа и благородных металлов.

Методы

Основная NPA архитектура состоит из чередующихся металл-наночастица-диэлектрик (MD) слоев (Рис. 1a). Каждый металлический слой содержит плотный квадратный массив 20-нм вольфрамовских наносфер, встроенных в SiO₂ матрицу; сферы касаются друг друга, создавая непрерывную металлическую сеть. Верхняя диэлектрическая пленка защищает частицы от окисления. В элементарной ячейке (Рис. 1b) толщина диэлектрика обозначается h, а период решетки равен диаметру частицы (20 нм). Нижняя подложка — 300-нм толстая вольфрамовая пленка, достаточно толстая для подавления прохождения.

a Базовая структура наночастичного металл-диэлектрика поглотителя (NPA). Все диэлектрические слои имеют толщину h = 100 нм. Диаметр частицы d = 20 нм. b Одна элементарная ячейка однослойного NPA. Период P = d = 20 нм.

Мы использовали трехмерные конечно-разностные временные доменные (FDTD) симуляции с Lumerical FDTD. Экспериментальные показатели преломления для SiO₂ и вольфрама взяты из ссылок [23] и [24]. Размер ячейки был 0,1 нм, с периодическими граничными условиями вдоль плоскости массива и идеально согласованными слоями (PML) сверху и снизу. Для нормально падающей TM волны (поляризация вдоль x, распространение вдоль –y) поглощаемость рассчитывается как A = 1 – R – T. Поскольку толщина подложки превышает глубину скин-слоя, прохождение пренебрежимо мало и A ≈ 1 – R по всему спектру.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает поглощаемость однослойного NPA как функцию толщины диэлектрика h. Появляются два режима: тонкий диэлектрик (h < 100 нм), где широкополосная полоса расширяется с увеличением толщины, и толстый диэлектрик (>100 нм), где появляется коротковолновая яма и общая полоса сужается. 100 нм диэлектрик обеспечивает сбалансированную производительность без видимой ямы, поэтому мы принимаем это значение для последующих анализов.

a, b Поглощающая производительность для однослойного NPA вариации с толщиной диэлектрика h.

Даже с одной MD парой NPA достигает >80% поглощаемости от 400 нм до >1600 нм, превосходя многие существующие поглотители. Добавление больше MD пар последовательно улучшает производительность. Рис. 3 иллюстрирует эволюцию: четыре слоя дают >80% по 400–2500 нм; восемь слоев превышают 90% по той же полосе; и двенадцать слоев поддерживают >90% по всему диапазону. Средняя поглощаемость, рассчитанная интегрированием спектрального отклика по 400–2500 нм, растет с 68,5% (один слой) до 95,4% (двенадцать слоев) (Рис. 4). Замечательно, что средняя достигает >90% всего с пятью слоями, указывая на быструю сходимость.

a, b Поглощаемость NPA структуры с множественными примененными слоями. N-слой NPA означает N слоев MD пар.

Средняя поглощаемость как функция числа MD слоев.

Для понимания физического происхождения высокой поглощаемости мы изучили распределение электрического поля в однослойном NPA (Рис. 5). Поле концентрируется вокруг наносфер, свидетельствуя о локализованном поверхностном плазмонном резонансе (LSPR). Поскольку частицы плотно упакованы, соседние LSPRs сопрягаются, приводя к коллективному поглощению моде, которая эффективно диссипирует падающую энергию.

Распределение величины электрического поля (log₁₀|E/E₀|) однослойного NPA: (a) 440 нм, (b) 750 нм, (c) 1150 нм, (d) 1580 нм; (e) поперечное сечение при 905 нм.

В многослойных NPA нижние слои участвуют сильнее на более длинных длинах волн. Рис. 6 демонстрирует, что коротковолновое поглощение доминирует верхние MD слои, в то время как более длинные длины волн возбуждают LSPRs по всему стеку. Эта глубинно-зависимая поглощаемость объясняет прогрессивное расширение широкополосной полосы по мере добавления слоев.

Распределение величины электрического поля (log₁₀|E/E₀|) восьми-MD-парного NPA в плоскости y = 0 при (a) 441 нм, (b) 638 нм, (c) 1580 нм, (d) 2500 нм.

Для сравнения с конвенциональным плоским MDM поглотителем мы изготовили плоский многослойный (FMA), состоящий из вольфрама слоев, разделенных 100 нм SiO₂ (Рис. 7). Поглощаемость чувствительно зависит от толщины вольфрама h_d. При h_d = 10 нм FMA достигает >90% от 400 до 1500 нм; увеличение h_d до 20 нм (равного диаметру частицы NPA) снижает пиковую поглощаемость из-за усиленного отражения. Тем не менее, FMA демонстрирует отличную селективность, с <20% поглощением за 2500 нм — привлекательной особенностью для ТФВ применений.

Диаграмма плоского металл-диэлектрик многослойного поглотителя (FMA).

Поглощающие спектры восьми-MD-парного FMA вариации с толщиной вольфрама h_d (h = 100 нм).

Оба NPA и FMA полагаются на Фабри-Перо резонансы в дополнение к LSPR. Для FMA увеличение толщины диэлектрика производит три отдельных поглощения пика, как показано на Рис. 9, указывая на высшие порядки кавитационных мод. Подобное много-пиковое поведение появляется в трех-MD-парном NPA, в то время как восьми-MD-парный стек демонстрирует слияние пиков на более длинных длинах волн, отражая более сильное межслойное сопряжение.

Поглощающие спектры трехслойного FMA: (a) h_d = 20 нм, (b) h_d = 10 нм, вариация с толщиной диэлектрика h. Черные круги отмечают резонансные пики.

В NPA 1000 нм пик в однослойном спектре соответствует Фабри-Перо резонансу, как подтверждается спектральной эволюцией на Рис. 10.

Поглощающие спектры вариации с толщиной SiO₂ h в (a) трехслойном NPA и (b) восьмислойном NPA.

Для расширения дизайн-пространства мы оценили железо как альтернативу вольфраму. Рис. 11 сравнивает восьмислойный NPA для вольфрама, железа, золота и серебра. Железо доставляет >92% поглощаемости по 400–2500 нм, с 2,1 мкм полосой — слегка превосходя вольфрамову 1,8 мкм. Благородные металлы достигают только узких высокопоглощающих окон. Эти результаты согласуются с предыдущей работой, указывающей, что импеданс железа ближе совпадает со свободным пространством, чем благородные металлы, усиливая широкополосное поглощение [34].

Поглощаемость восьмислойных NPA структур с разными металлами.

Железо NPA также демонстрирует красное смещение с увеличением толщины диэлектрика (Рис. 12). Его средняя поглощаемость достигает 94,88%, лишь незначительно выше вольфрамовой 94,09%. Ниже стоимость железа и более высокая температура плавления (~1500 °C) делают его убедительной заменой. Рис. 13 показывает, что вольфрам и железо делят похожие мнимые показатели преломления, объясняя их сопоставимую оптическую производительность.

Поглощающие спектры вариации с толщиной слоя h в восьмислойной Fe-NPA структуре.

Сравнение (a) действительной и (b) мнимой частей показателя преломления обычно используемых металлов.

Устойчивость NPA оценивалась варьированием размера и формы частицы (Рис. 14). В диапазоне диаметра 10–30 нм поглощаемость остается >90% по всей полосе. Переключение на эллипсоидальные частицы слегка снижает поглощение за 1700 нм, когда большая ось выровнена с электрическим полем; выравнивание с малой осью приводит к более выраженному падению. Поэтому рекомендуется поддерживать большую ось параллельно падающему полю при фабрикации.

a Поглощающий спектр NPA структуры вариации с размером наночастицы. b Поглощающий спектр для разных форм: сфера (S), эллипсоид (E). Для E1/E2 электрическое поле выровнено с большой осью; для E3 — с малой осью.

Поверхностное рассеяние повышает постоянную затухания вольфрамовских наночастиц относительно объемных значений. Использование повышенной постоянной затухания в симуляции (Рис. 15) показывает, что коротковолновое поглощение остается неизменным, в то время как длинноволновое поглощение улучшается из-за увеличенной мнимой диэлектрической проницаемости. Этот тренд подтверждает, что производительность NPA устойчива к реалистичным материальным вариациям.

Поглощение с разными постоянными затухания для вольфрама.

С точки зрения применения, полностью широкополосный NPA идеален для систем, не требующих спектральной селективности — таких как солнечная генерация пара, очистка сточных вод и нагревание воды. И наоборот, NPA с меньшим числом слоев и FMA демонстрируют сильное поглощение ниже 2500 нм, но подавляют длинноволновое излучение, делая их подходящими для ТФВ установок, где термические потери должны быть минимизированы.

Заключение

Мы спроектировали высокоэффективный широкополосный солнечный поглотитель на основе вольфрамовских наночастиц-SiO₂ многослойов. С восемью MD парами структура достигает >90% поглощаемости по 400–2500 нм, превосходя многие сообщенные поглотители. Исключительная производительность возникает от синергетического действия локализованного поверхностного плазмонного резонанса и Фабри-Перо кавитационных мод. Сравнительный анализ демонстрирует, что наночастицы железа могут заменить вольфрам без жертвы эффективности, предлагая стоимостно-эффективную альтернативу для высокотемпературных солнечных применений. Устойчивость поглотителя к размеру частицы, форме и материальному затуханию дополнительно подчеркивает его практическую жизнеспособность.

Аббревиатуры

FDTD:

Finite-difference time-domain

FMA:

Flat metal-dielectric multilayer absorber

LSP:

Localized surface plasmon

NPA:

Nanoparticle absorber

TPV:

Thermo-photovoltaic