Численное исследование эффективного солнечного поглотителя, состоящего из металлических наночастиц

Фон

Солнечные энергетические системы привлекают к себе все больше и больше внимания в последние десятилетия из-за чрезмерного потребления традиционных источников энергии и серьезного ухудшения экологической ситуации. В системах солнечной энергии солнечная энергия может быть преобразована в электрическую или тепловую энергию для различных целей с незначительным загрязнением окружающей среды. Однако нынешние солнечные энергетические системы, такие как термофотовольтаические (TPV) системы, солнечные парогенераторы, солнечные системы водяного отопления, неэффективны в преобразовании энергии, а эффективность, приближающаяся к 20% в соответствующих оптических условиях, была теоретически предсказана в системах TPV [1] , который еще далек от массового производства. Многие высокоэффективные солнечные поглотители разработаны для повышения эффективности преобразования энергии в различных системах солнечной энергии. Поверхностные плазмоны, поляритоны (SPP), локализованные поверхностные плазмоны (LSP) и магнитные резонансы часто используются для реализации почти идеального поглощения в этих поглотителях. Поскольку солнечный свет имеет широкий диапазон спектра (от 200 до 3000 нм), он требует достаточно широкого спектра поглощения, чтобы поглотители могли эффективно преобразовывать свет. Однако одиночная резонансная мода, возбуждаемая во многих поглотителях, обычно не может привести к широкополосному поглощению света. Распространенным решением этой проблемы является разработка поглотителей с множественными резонансными модами. Например, многослойные системы, такие как плоские структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) [2, 3], многослойные структуры пирамид МДМ [4, 5] или МДМ с решетчатыми структурами [6], часто могут иметь широкополосное поглощение, приводящее к от мультирезонансов, возбуждаемых между слоями металл-диэлектрик, до тех пор, пока количество слоев достаточно. Другие структуры, такие как массивы малых поглощающих структур [7, 8] или структуры с градиентно изменяющимся размером [8], могут поддерживать различные резонансные моды, а также приводить к широкополосному поглощению. Для большинства этих конструкций требуются довольно сложные производственные процессы, а эффективность поглощения очень важна для изготавливаемой конструкции и окружающей среды, которая сильно влияет на их применение.

Кроме того, материалы абсорберов должны быть достаточно дешевыми, что обеспечит возможность их широкого производства. Однако во многих описанных поглотителях в своей структуре используются благородные металлы. В этих поглотителях часто можно достичь почти идеального поглощения в диапазоне видимого света, но их характеристики поглощения за пределами этой области ужасны [9,10,11,12,13]. Поскольку более 40% энергии солнечного света находится за пределами видимого светового спектра, эти поглотители обычно могут быть неэффективными в системах солнечной энергии. Кроме того, температуры плавления благородных металлов, таких как золото и серебро, составляют около 1000 ° C, и их можно легко расплавить при использовании в высокотемпературной солнечной энергетической системе, что серьезно влияет на стабильность и эффективность солнечной энергетической системы. Поэтому обычным металлическим материалом, используемым в солнечной энергетической системе, является вольфрам. По сравнению с другими металлами вольфрамовые поглотители часто имеют относительно высокую температуру плавления, стабильные химические свойства и демонстрируют отличные характеристики поглощения широкополосного солнечного света [14]. Эти преимущества делают вольфрам незаменимым элементом солнечной энергетики.

В этой статье мы предлагаем широкополосный поглотитель солнечного света, основанный на конструкции многослойных наночастиц и диэлектрика и применении в структуре вольфрама и железа. Статья устроена следующим образом. Сначала мы представим трехмерный поглотитель и покажем результаты моделирования. Затем мы проиллюстрируем поглощающий механизм поглотителя и сравним эту структуру с плоской структурой MDM, чтобы получить более глубокое представление. Кроме того, будут обсуждаться характеристики поглотителя наночастиц железа и поглотителя наночастиц вольфрама при применении в этой структуре.

Методы

Базовая структура поглотителя металлических наночастиц (NPA) изображена на рис. 1а. Поглотитель состоит из множества слоев металлических наночастиц и диэлектрика (МД). Слой металлических наночастиц состоит из плотно расположенных наночастиц квадратного массива в кубической решетке, внедренных в SiO ₂ . слой. Диаметр наночастиц составляет 20 нм, и между соседними наночастицами нет зазора. Слой диэлектрика в верхней части конструкции используется для защиты металлических частиц от окисления. Элементарная ячейка однослойного НПВ представлена ​​на рис. 1б. Верхний диэлектрический слой предназначен для защиты металла от окисления и имеет ту же толщину, что и нижний диэлектрический слой. Таким образом, металлическая частица внедряется в середину всего диэлектрического слоя. Вольфрам выбран в качестве металлической части структуры из-за его превосходных характеристик в системе TPV [14], и мы выбрали кремнезем в качестве диэлектрической части поглотителя из-за его относительно низкого показателя преломления. Развитие современных технологий нанопроизводства, таких как электронно-лучевая литография [15], измельчение сфокусированным ионным пучком [16], метод магнетронного распыления [17] или самосборка коллоидов [18], позволяет создавать структуры слоев наночастиц, предложенные в эта статья [19, 18, 20,21,22].

а Базовая структура металлических наночастиц-диэлектрических поглотителей (НПА). Все диэлектрические слои имеют толщину hh (100 нм). Диаметр металлических наночастиц dd составляет 20 нм. б Одна элементарная ячейка однослойной МД-структуры NPA. Период P =Dd =20 нм

Что касается моделирования, мы используем трехмерный метод конечных разностей во временной области (FDTD). Соответствующее программное обеспечение - Lumerical FDTD. Показатели преломления диэлектрика (SiO ₂ ) и металл (вольфрам) взяты из экспериментальных данных [23, 24]. Поскольку слои металлических наночастиц состоят из бесконечных непрерывных наночастиц, мы выбираем одну ячейку с металлическими наночастицами в качестве имитационной модели. На рис. 1б изображена элементарная ячейка периодической однослойной структуры NPA. Нормально падающий свет TM падает вдоль отрицательного y направление с поляризацией вдоль x направление. Следовательно, период моделирования P такой же, как диаметр металлической наночастицы (20 нм). Минимальный размер ячейки установлен равным 0,1 нм. Периодическое граничное условие принято для одиночной элементарной ячейки на рис. 1б. Слои идеального соответствия (PML) размещены внизу и вверху структуры. Поглощение рассчитывается как A =1 - R - Т , где R - отражение, а T это передача. Толщина металлической подложки установлена ​​равной 300 нм, что намного больше, чем типичная толщина пленки, чтобы избежать пропускания света. Таким образом, пропускание практически отсутствует во всем частотном диапазоне, и поглощение поглотителя можно рассчитать как A =1 - R .

Результаты и обсуждение

Для однослойного НПВ характеристики поглощения показаны на рис. 2 в зависимости от толщины диэлектрического слоя hh. На рис. 2 наблюдаются два различных режима, а именно режим тонкого диэлектрического слоя (hh <100 нм) и режим толстого диэлектрического слоя (hh> 100 нм). В режиме тонкого диэлектрического слоя хорошо поглощающая полоса расширяется с увеличением толщины hh. Однако в режиме толстого диэлектрического слоя наблюдается поглощающий провал в более коротком диапазоне длин волн, а хорошо поглощающая область сужается по мере того, как диэлектрический слой становится толще. В нашем следующем исследовании мы выбрали hh =100 нм из-за относительной эффективности поглощения в рабочем диапазоне, а также из-за отсутствия очевидного провала поглощения в видимой области.

а , b Поглощающие характеристики для однослойного NPA меняются в зависимости от толщины диэлектрика hh

Когда в структуре есть только один MD-слой, достигается поглощение более 80% для диапазона длин волн от 400 до более 1600 нм, что уже превышает многие сообщенные солнечные поглотители. При нанесении большего количества MD-слоев абсорбционные характеристики абсорбера могут быть дополнительно улучшены. Мы наносим на график поглощающую способность NPA с различным количеством слоев MD на рис. 3. Чем больше пар MD применяется к структуре NPA, тем значительно увеличивается поглощение на более длинной рабочей длине волны. При нанесении четырех слоев MD поглощение соответствующего поглотителя может почти превышать 80% для диапазона длин волн от 400 до 2500 нм, в который входит большая часть спектра солнечного света. При нанесении восьми MD-слоев на NPA поглощение более 90% достигается в большей части диапазона длин волн от 400 до 2500 нм. При нанесении на NPA 12 пар МД поглощение превышает 90% на всей рабочей длине волны.

а , b Абсорбция многослойной структуры NPA. N -уровень NPA означает, что NPA с N Пары MD

Чтобы дополнительно проиллюстрировать взаимосвязь между абсорбционной способностью абсорбера NPA и количеством пар MD в структуре NPA, мы вычислили среднюю абсорбцию абсорберов NPA, изменяющуюся с различным количеством пар MD. Среднее поглощение можно рассчитать как

где λ ₁ и λ ₂ в нашем случае составляет 2500 и 400 нм соответственно. Зависимость между количеством слоев MD и средним поглощением изображена на рис. 4. С увеличением количества пар MD среднее поглощение увеличивается с 68,5% (один слой MD) до 95,4% (12 слоев MD). Когда количество пар MD больше 8, рост среднего поглощения, кажется, достигает своего инстинктивного предела и будет относительно медленным. Согласно расчетам, среднее поглощение NPA с более чем пятью слоями MD достигает 90% в диапазоне длин волн от 400 до 2500 нм. Этот поглотитель превосходит многие из ранее описанных поглотителей как по эффективности поглощения, так и по идеальной ширине полосы поглощения.

Средняя абсорбция как функция количества слоев MD

Как мы упоминали ранее, структура NPA может реализовать высокое поглощение даже с помощью только одной пары MD. Чтобы понять физические механизмы, ответственные за высокое поглощение однослойной структуры NPA, мы построим ее пространственное распределение электрического поля на рис. 5. На рис. 5a показано распределение величины электрического поля однослойной структуры NPA в плоскости <я> у =0. При падающем свете, поляризованном вдоль x В этом направлении электрическое поле усиливается и ограничивается наночастицами. Такой профиль поля предполагает, что поглощение можно приписать локализованному поверхностному плазмонному резонансу (LSPR) [25]. Чтобы лучше это показать, мы построим график распределения величины электрического поля частицы в поперечном сечении в z =115 нм (отмечена на рис. 1б) на рис. 5д. Ясно, что усиление электрического поля появляется с обеих сторон от металлических частиц вдоль направления поляризации падающего света. Поскольку наночастицы расположены близко друг к другу, LSPR вокруг частиц, сцепляющихся с соседними LSPR, вместе приводит к высокому поглощению структурой NPA. Связь соседних LSPR потребляет свет и приводит к высокому поглощению структурой NPA.

Распределение величины электрического поля (log ₁₀ | E / E ₀ |) однослойного НПА:распределение величины электрического поля по y =0 плоскость на длине волны а 440 нм, b 750 нм, c 1150 нм и d 1580 нм; е распределение величины электрического поля (| E / E ₀ |) в z =Плоскость 115 нм на длине волны 905 нм

По сравнению с NPA с одной парой MD, характеристики поглощения значительно улучшены в более длинноволновом диапазоне для структуры NPA с несколькими парами MD. Чтобы проиллюстрировать это явление, мы изобразим пространственное электрическое распределение структуры NPA из восьми пар MD на рис. 6. Для света с разными длинами волн распределения величины поля различны. Для более коротковолнового света (рис. 6а, б) он в основном поглощается верхними слоями МД. Величина электрического поля и ограничение поля вокруг наночастицы в нижних слоях структуры слабые. В то время как для более длинных волн (рис. 6c, d) ограничение электрического поля существует, очевидно, во всех слоях MD, и LSPR проявляется сильно не только вокруг верхних слоев частиц, но также и вокруг нижних слоев частиц. Это означает, что для структуры NPA с несколькими парами MD нижние слои MD не участвуют в поглощении падающего света с более короткой длиной волны. Вместо этого более длинноволновый падающий свет может хорошо поглощаться и преобразовываться в LSPR в нижних слоях MD. Таким образом, добавление пар MD в структуру NPA значительно улучшит характеристики поглощения структуры NPA для более длинноволнового света, что хорошо соответствует кривой поглощения на рис. 3a. Кроме того, это объясняет причину того, почему кривые поглощения для разных пар ДН в структуре NPA на рис. 3b явно увеличиваются в более длинноволновом диапазоне, но сливаются вместе на более коротких длинах волн с увеличением количества пар ДН.

Распределение магнитуды (log ₁₀ | E / E ₀ |) структуры NPA из восьми MD-пар в y =0 самолет в a 441 нм, b 638 нм, c 1580 нм и d 2500 нм. p1 – p8 представляют восемь частиц в одной элементарной ячейке структуры NPA из восьми пар MD

Чтобы получить более глубокое представление о структуре NPA, мы рассчитали поглощающую способность аналогичного поглотителя - FMA (плоский поглотитель MDM, график на рис. 7). Спектры поглощения при различной толщине металлического слоя hd представлены на рис. 8. Толщина слоя SiO ₂ устанавливается равным 100 нм, что соответствует структуре NPA. С более толстыми металлическими слоями оптическая плотность структуры FMA уменьшается. Поглощение более 90% достигается в диапазоне длин волн от 400 до 1500 нм при hd =10 нм. Однако, когда толщина металлического слоя hd установлена ​​равной 20 нм, что совпадает с толщиной металлического слоя структуры NPA, эффективность поглощения FMA явно падает. Это легко понять, потому что, когда металлические слои становятся толще, отражательная способность структуры становится более очевидной, и в результате уменьшается поглощение. Избирательная абсорбция FMA лучше, чем NPA. Когда длина волны превышает 2500 нм, поглощение составляет менее 20%. Хотя существует множество поглотителей МДМ, предложенных для поглощения солнечного света [26, 27,28,29,30,31,32], характеристики поглощения нашего FMA превосходят многие другие поглотители МДМ. Эффективность поглощения FMA высока, а ширина полосы поглощения довольно широкая. Еще одно преимущество МДМ - избирательность поглощения ФМА. Когда длина волны превышает 2500 нм, поглощение составляет менее 20%, что позволяет применять его в селективных системах солнечной энергии, таких как системы TPV. Кроме того, толщина металлических слоев в FMA составляет 10 нм, что больше, чем у поглотителя MDM в исх. [31, 32] и упрощает изготовление. Все эти преимущества связаны с применением вольфрама в структуре FMA вместо благородных металлов, которые обычно используются в поглотителях MDM.

Схема плоского металло-диэлектрического многослойного поглотителя (FMA)

Спектры поглощения восьмипарного МД-парного FMA в зависимости от толщины металла hd. Толщина диэлектрического слоя hh установлена ​​равной 100 нм

Для поглотителей МДМ их способность поглощения света часто основана на резонансе Фабри-Перо [2, 6, 33]. При добавлении большего количества пар MD в структуру появляется дополнительный пик поглощения в спектре поглощения для FMA из-за резонанса Фабри-Перо. Чтобы лучше это показать, мы построим трехуровневую FMA в качестве примера. На рис. 9 показаны характеристики поглощения трехслойного FMA, изменяющиеся в зависимости от толщины диэлектрика hh. Как на рис. 9а, так и на рис. 9б в спектре появляются три поглощающих пика, которые являются результатом резонанса Фабри-Перо [2, 6]. Резонансная длина волны резонанса Фабри-Перо увеличивается с толщиной полости [2, 6]. При этом полоса поглощения расширяется в более длинный диапазон длин волн с увеличением толщины диэлектрического слоя hh, а полоса поглощения имеет красное смещение на рис. 9.

Спектры поглощения трехслойного FMA как a hd =20 нм и b hd =10 нм в зависимости от толщины диэлектрика hh. Пики резонанса отмечены черными кружками

То же самое происходит со структурой NPA. Для спектра поглощения на рис. 2а пик поглощения, появляющийся около 1000 нм, должен быть результатом резонанса Фебри-Перо. Когда в NPA есть три пары MD, в спектре поглощения также будут три пика поглощения (показаны на рис. 10), как и в спектре поглощения трехслойного FMA на рис. 9. Однако, когда восемь пар MD применяются к NPA, поглощающие пики сливаются воедино; есть только несколько пиков поглощения, которые можно наблюдать на более длинных волнах. При увеличении толщины диэлектрического слоя на рис. 10 спектр поглощения смещается в красную область. Из-за сходства спектра поглощения трехслойного FMA и NPA мы можем сделать вывод, что отличные характеристики поглощения NPA также должны быть результатом резонанса Фабри-Перо. Следовательно, в NPA есть как LSPR, так и резонанс Фабри-Перо. Превосходные характеристики поглощения должны быть результатом существования LSPR и резонанса Фабри-Перо.

Спектры поглощения, изменяющиеся в зависимости от толщины слоя кремнезема hh в a трехслойная структура NPA и b восьмиуровневая структура NPA

Металл, который мы выбрали для этого поглотителя, - вольфрам. В нашей предыдущей работе [34] мы показали, что железо может быть отличным кандидатом для применения в поглотителях солнечного света. Как показано на рис. 11, мы сравниваем поглощающую способность структуры наночастиц вольфрама с характеристиками поглотителей, состоящих из других металлических наночастиц с такой же структурой. Для поглотителя из железа достигается эффективность поглощения более 92% в диапазоне длин волн от 400 до 2500 нм. Ширина полосы поглощения железного поглотителя (около 2,1 мкм) превышает полосу пропускания вольфрамового поглотителя (около 1,8 мкм). Эффективность поглощения золотого поглотителя и серебряного поглотителя достигает 90% в узких диапазонах длин волн. Их поглощающие характеристики намного хуже, чем у вольфрамовых и железных поглотителей под этой структурой. Этот результат хорошо соответствует нашей предыдущей работе [34], которая также показывает, что поглотитель из железа часто имеет лучшие характеристики поглощения по сравнению с благородными металлами из-за условия хорошего согласования между зависимостью поглотителя из железа и отсутствием свободного пространства. Благородные металлы хорошо известны своей превосходной способностью поглощать видимый свет в области поглощения солнечного света. Однако они обычно не используются в системе TPV в качестве поглотителя или излучателя, потому что они не могут хорошо поглощать свет за пределами видимого диапазона. Кроме того, их температуры плавления относительно низкие (около 1000 ° C), что серьезно затрудняет их применение в системах солнечной энергетики.

Поглощение восьмислойных структур NPA с нанесенными разными металлами

Подобно структуре NPA вольфрама, спектр поглощения структуры NPA железа также имеет красное смещение с увеличением толщины слоя кремнезема hh (график на рис. 12). Эффективность поглощения почти превышает 90% для всего рабочего диапазона волн, за исключением поглощающего провала в диапазоне длин волн 100 нм, возникающего, когда толщина слоя hh превышает 100 нм. По сравнению с рис. 7, общая поглощающая способность структуры NPA железа превосходит характеристики структуры NPA вольфрама. Среднее поглощение наночастиц железа (94,88%) и наночастиц вольфрама (94,09%) превышает таковое для наночастиц золота (64%) и серебра (28,4%). Превосходная абсорбционная способность делает железо многообещающим альтернативным материалом для вольфрама в солнечной энергетической системе. Кроме того, железо дешевле вольфрама. Его температура плавления составляет около 1500 ° C и выше, чем у благородного металла. Для вольфрама химическая стабильность - одно из важнейших свойств солнечных систем. Сплав железа и вольфрама может иметь преимущества двух металлов. Далее мы сравниваем их показатели отражения на рис. 13. Данные для золота и серебра взяты из ссылки [35]. Он показывает, что оптические свойства вольфрама и железа очень похожи, особенно в отношении мнимой части их показателей отражения, что приводит к их аналогичным характеристикам поглощения в структуре NPA.

Спектры поглощения, изменяющиеся в зависимости от толщины слоя hh в восьмислойной структуре Fe-NPA

Сравнение а действительная часть показателя преломления и b мнимая часть показателя преломления обычно используемых металлов

Для структуры NPA изготовление таких однородных мелких частиц может быть затруднительным. Следовательно, для предлагаемой конструкции требуется хорошая устойчивость. Мы рассчитали поглощающие характеристики конструкций, состоящих из различных форм и размеров на рис. 14а, б. Для наночастиц разного размера поглощение структурой остается более 90% почти на рабочей длине волны. Когда мы превращаем сферические наночастицы в эллипсоидные наночастицы в структуре NPA, поглощение уменьшается (показано на рис. 4b). Для условий E1 и E2, в которых электрическое поле направлено вдоль большой оси эллипсоидных частиц, поглощение падает в основном в диапазоне длин волн более 1700 нм, а поглощение на более короткой длине волны, где распределяется большая часть солнечной энергии, почти остается прежним. . Среднее поглощение в этих двух случаях превышает 90%. Когда электрическое поле направлено вдоль малой оси эллипсоидных частиц, поглощение резко меняется. Следовательно, направление большой оси наночастицы эллипсоидной формы должно сохраняться таким образом, чтобы оно согласовывалось с направлением электрического поля при изготовлении.

а Спектр поглощения структуры NPA, изменяющийся в зависимости от размера наночастиц. б Спектр поглощения структуры NPA для наночастиц различной формы. S сфера, E эллипсоид, a полудиаметр большой оси эллипсоида, b - полудиаметр малой оси эллипсоида. Для E1 и E2 электрическое поле проходит вдоль направления большой оси. Для E3 электрическое поле направлено вдоль направления малой оси

Кроме того, постоянная затухания наночастиц вольфрама часто больше, чем у объемного вольфрама из-за поверхностного рассеяния и эффектов границ зерен. Согласно данным [36], мы пересчитываем поглощение структуры, используя увеличенную постоянную затухания вольфрама. Результат показан на рис. 15. Когда постоянная затухания вольфрама увеличивается, поглощение на более короткой длине волны (от 400 до 1700 нм) остается почти неизменным, в то время как поглощение на более длинной длине волны (от 1700 до 2500 нм) увеличивается. Это можно объяснить тем, что при увеличении постоянной затухания вольфрама в инфракрасной области мнимая часть его диэлектрической проницаемости в инфракрасной области увеличивается [36] и приводит к увеличению поглощения. Изменение диэлектрической проницаемости вольфрама более очевидно при большей длине волны, чем при более короткой длине волны. Следовательно, поглощение, рассчитанное с увеличенной постоянной затухания на более длинной длине волны, немного изменяется, в то время как оно почти не изменяется на более короткой длине волны.

Поглощение с использованием различных постоянных демпфирования вольфрама

До сих пор мы обсуждали структуру NPA и структуру FMA, их характеристики поглощения и механизм поглощения, а также металлы, которые могут быть применены в них для достижения высокого поглощения. Однако применение этих поглотителей может быть различным. В системе TPV часто требуются хорошие селективные поглощающие характеристики для уменьшения теплового излучения от солнечного поглотителя. Таким образом, многослойные структуры NPA, характеристики поглощения которых показаны на рис. 3b, не подходят для использования в системе TPV из-за высокого теплового излучения более 2500 нм. Однако структура NPA с несколькими слоями MD (спектр поглощения показан на рис. 3a) и структура FMA (спектр поглощения показан на рис. 9) могут быть использованы в системе TPV из-за низкого теплового излучения более 2500 нм. Для многослойных структур NPA они могут быть полезны в других системах солнечной энергии, в которых не требуются хорошо селективные абсорбционные характеристики, таких как солнечное производство пара [37], системы очистки сточных вод и системы нагрева воды.

Выводы

Таким образом, мы предложили высокоэффективный широкополосный поглотитель, состоящий из слоев наночастиц вольфрама и SiO ₂ слои поверх металлической подложки. При нанесении восьми MD-слоев поглотитель может иметь оптическую плотность более 90% для большей части диапазона длин волн от 400 до 2500 нм. Эффективность поглощения этого поглотителя превышает эффективность поглощения многих других поглотителей солнечного света, которые предоставляют большие возможности для использования поглотителя в системах солнечной энергии, таких как производство пара солнечными батареями, солнечное нагревание воды и системы очистки сточных вод. Кроме того, мы сравнили абсорбер NPA с FMA и обнаружили, что отличные абсорбционные характеристики абсорбера NPA являются результатом LSPR и резонанса Фабри-Порта. Мы также сравниваем поглощающую способность нескольких обычных поглотителей металлических наночастиц при одинаковых параметрах структуры. Результаты показывают, что железо может быть многообещающим материалом-кандидатом на роль вольфрама в солнечном поглотителе. Все эти результаты моделирования помогают создавать новые солнечные светопоглощающие элементы в солнечных энергетических системах, а предложенные нами поглотители многообещают для использования в реальных приложениях.

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

FMA:

Плоский металло-диэлектрический многослойный поглотитель

LSP:

Локализованный поверхностный плазмон

NPA:

Nanoparticle absorber

TPV:

Thermo-photovoltaic