Ультраширокополосный нано-метапоглотитель на массиве расщепленных гексагональных пластин для превосходного захвата видимого и УФ солнечного излучения

Аннотация

Солнечная энергия — один из источников окружающей среды, где энергию можно собирать легко без загрязнения. Намеренный сбор солнечным элементом для рекуперации энергии требует передовой техники для ускорения поглощения энергии в электронный поток для производства большего электричества. Структуры солнечных элементов исследовались для улучшения эффективности поглощения, хотя большинство из них могут эффективно поглощать только с узкой угловой толерантностью и поляризационной чувствительностью. Таким образом, существует сильный спрос на широкополосное поглощение с минимальной полярзационной чувствительностью поглотителя, необходимого для эффективного сбора солнечной энергии. В этой статье мы предлагаем новую форму метаматериального поглотителя — массив расщепленных гексагональных пластин (SHPA) с двойно-отрицательными (DNG) характеристиками, который обеспечивает широкую полосу поглощения с низкой полярзационной чувствительностью для сбора энергии солнечного спектра. Предлагаемая новая SHPA форма состоит из шести нано-руков с единичным вертикальным расщеплением, обладающим симметрией наконечника стрелы. Это рукоять будет направлять электромагнитный (ЭМ) резонанс для приобретения абсолютной отрицательной диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости, обеспечивая DNG свойство. Этот DNG метаматериальный признак анализируется на основе фото-конверсионного квантового метода для максимального фотонного поглощения. Симметричные характеристики предложенной структуры позволяют поглотителю демонстрировать нечувствительность к поляризации и способность к широкоугольному поглощению. Смоделированный SHPA показывает способность поглощения электромагнитных волн видимого и ультрафиолетового (УФ) спектра более 95%. Квантовый метод дает преимущество в эффективности конверсии поглотителя, и численный анализ предложенной SHPA структуры обеспечивает качество поглощения для ТГц режима сбора энергии через солнечный элемент или фотонное приложение.

Введение

Материальная инженерия способствовала истории человеческого развития с древних времен, и «метаматериал» станет одним из жизненных прорывов. «Мета», обозначающее изменение жанра материала, показывает уникальные диэлектрические характеристики, такие как отрицательная диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость, легко фарбикуемые. Различные потенциалы применения в метаматериалах делают многих исследователей по всему миру более любопытными к бенчмарк инновациям в их областях. Фотонная конверсия энергии из видимого частотного диапазона и ее включение в сбор энергии, особенно солнечных элементов, — одна из перспективных областей метаматериальных поглотителей. Видимый спектр или УФ диапазон световых волн окружают нас всегда без серьезных проблем и в обильном количестве энергии. Среди всех установленных техник использования фотовольтаические (PV) технологии широко применяются в полевых приложениях, и в последние годы передовая методика предлагалась для улучшения производительности для баланса будущих вызовов зеленой энергии. Например, одно-, много- и поликристаллические ячейки для улучшения эффективности, PV развитие с использованием металл-галидных перовскитов, органических и квантово-точечных PV для усиления коэффициента конверсии мощности, оптоэлектронное качество PV релевантных материалов, влияющих на выход мощности и так далее. Кроме того, методы фарбикации материалов, такие как последовательное осаждение высококачественного перовскитного PV слоя, покрытые и печатаемые перовскиты PV, фотонная переработка или алгоритм на основе центроидной аналогии в точке максимальной мощности и т.д. фокусируются на усилении эффективности солнечного элемента.

Кроме того, потенциальная область сбора солнечной энергии с использованием комбинации антенны и выпрямителя (диода), известной как «рекктенна», также исследуется для усиления эффективности типичного PV элемента. Рекктенны изучались в основном для микроволновой передачи энергии, так как они высокоэффективны в конверсии микроволновой энергии в электричество. Например, прототип запатентованный с использованием нанотехнологий, фокусирующийся на конверсии света в электричество с усиленной эффективностью и текуще совместимый с традиционным солнечным элементом. Экспериментальная процедура показывает, что ректенна, размещенная под PV модулем, давала выход 380–480 Вт/м² с комбинированным модулем, увеличенным от 10–20% до 38–40%. Из-за ограничений нанофарбикации большинство прототипов работают в дальнем ИК диапазоне, а не в видимом спектре. Можно ожидать, что развитие нанотехнологий может дополнительно ускорить этот подход. Таким образом, недавние статьи приняли разнообразную стратегию сбора солнечной энергии, такую как гибридизация RF-солнечной энергии многопортовым прозрачным антенной, достигшей 72,4% эффективности с 53,2% RF-to-DC конверсией. Эволютивный дипольный наноантенна (EDN), фарбикованный электронно-лучевой литографией, посвящен оптимизации эффективности сбора, где эффективность выросла с 30% до 40% по сравнению с классическим дипольным наноантенной (CDN). Металл-изолятор-металл (MIM), интегрированный с SiO₂ туннелем, показывает конверсионную эффективность более 90%, Чжан и И предложили похожий подход с бабочковидным нано-рекктенной, заявляя 73,38% конверсии. Также метаматериально-вдохновенная ректенна со встроенным Шоттки-диодом на базе «Фабри-Перо (FP)» резонатора демонстрировала высокий Q-фактор и 16-кратное улучшение производительности, оптическая ректенна, вдохновленная метаматериалом и разработанная полуклассической моделью, заявляет высокую эффективность, низкую стоимость солнечного элемента. Не только это, несколько вариаций в метаматериальных характеристиках исследуются, такие как переключаемый метаматериал с бифункциональностью поглощения, диоксид ванадия-базированный тонкий метаматериал, германий-вдохновенный метаматериал для настраиваемого сенсинга. Помимо обычной идеи сбора энергии, большинство метаматериальных поглотителей или антенн разрабатывались для RF сбора энергии, а не видимого спектра. Сбор энергии в этих статьях не способен способствовать солнечному элементу.

Недавние исследования в ТГц диапазоне ректенны или метаматериально-вдохновенного нано-рекктенны все еще находятся в лабораторном эксперименте или анализе из-за нескольких ограничений: согласование импеданса, интеграция между ячейкой и PV элементом, питание конвертированной энергии от ячейки к PV блоку, фотонная конверсионная эффективность, потери транспорта и т.д. Более того, PV элементы склонны деградировать производительность с экологическими параметрами и узкой полосой поглощения в видимом спектре. Тем не менее, наномасштабные антенны или поглотители исследуются путем принятия передовых дизайнов и фарбикационных техник, таких как все-направленный плазмонный поглотитель с эффективностью сбора ~38%, гибкий подложочный нантенна электромагнитный коллектор (NEC) показывает 90% поглощение, преодолевая оптические свойства материалов и фарбикационные ограничения. Уникальные оптические и электрические свойства наномасштабных структур раскрывают широкий диапазон процентов поглощения с динамическими материальными характеристиками. Хотя большинство сообщенных изощренных структур все еще сложны для применения в сборе солнечной энергии, некоторые метаматериальные поглотители используются для целевых приложений на экспериментальной основе. С антенной, конвертирующей падающую ЭМ волну в переменный ток сигнал, диод может выпрямить его в пригодное DC напряжение. Более 90% конверсионной эффективности можно получить в радиочастотах. Однако это 엄청но трудно расширить ректенну к оптическим режимам из-за сложного процесса и слишком медленного отклика диод-базированной выпрямления. Редко замеченная работа по прямой фотоэлектрической конверсии без диода, известная как динамический Холл эффект (DHE), была сообщена Х. Барлоу в 1954. Предлагалось производить DC напряжение через совместное действие динамических электрических и магнитных полей косо падающего излучения. Этот эффект теоретически проявляется всеми проводящими материалами и применим ко всему ЭМ спектру от микроволн до видимых частот с быстрым откликом. Таким образом, потенциальная область усиления эффективности системы сбора солнечной энергии с использованием метаматериала все еще предстоит исследовать, анализировать и переразвернуть все доступные техники для ускорения типичной солнечной элементной эффективности на уровне приложения.

В этой статье мы выдвигаем SHPA метаматериальный поглотитель на три-нанослойном материале с DNG характеристиками, смоделированный как в видимом, так и УФ режиме для сбора солнечной энергии. Метод конечных разностей во временной области (FDTD) аналитический метод следуют для формирования структуры, анализа, и коммерчески доступный CST Microwave Studio (MWS) 2017 используется для симуляции. Следовательно, стандартные граничные условия применяются для анализа распространения волны, также TE, TM плоская поляризация моделируется для широкоугольного поглощения. Для структурно-оптимизированного наноразмерного метаматериального поглотителя генетические алгоритмы (GA) успешно применялись во многих разных дизайнах для получения позитивного результата. Следовательно, предложенный поглотитель принял похожий алгоритм для нахождения отрицательного-индексного материала (NIM) характеристик. Рис. 1c иллюстрирует GA-оптимизированную кодированную область дизайна ячейки, где нано расщепленная Hexa форма и разделенная 10 × 7 сетка. Внутри сетки подразделенная 3 × 3 сетка изображает гексагональную форму. Фактический механизм — интерполяция данных для получения улучшенного поглощения при варьировании геометрических размеров с сохранением наноструктурной формы. Цель этого GA — извлечь SHPA метаматериал для видимой частоты с максимально возможными NIM характеристиками. Параметры рассеяния, оцененные во время симуляции, передаются в MATLAB программу для извлечения характеристики и релевантного анализа свойств. Численное исследование показывает более 95% поглощение в обоих частотных режимах с значительными леворукими метаматериальными характеристиками. Таким образом, предложенный SHPA с дальнейшей фарбикованной валидацией может доказать свою потенциальную область применения, как сбор солнечной энергии, фотонный накопления для солнечного элемента или фотонное усиление.

Вычислительный дизайн и методология

SHPA метаматериальный поглотитель моделировался как двухслойная подложка, арсенид галлия (GaAs) и никель (оптический), и пластинчатый слой спроектирован на золоте (Au). 80-нм толщина GaAs с лоссивой диэлектрической проницаемостью 12,94 и 100-нм толщина Ni (Рис. 1a). Таблица 1 показывает детальные размеры ячейки структуры. Толщина SHPA пластины 90 нм, и Au пленка пренебрежимо мала для локализованного магнитного поля, изотропная проводимость 4,1 × 10⁷ С/м. Согласно «анизотропному тензору проводимости Друде», только Z-компонента локального магнитного поля рассматривается. Потому что ортогональная компонента двух других осей намного слабее Z-компоненты. Во время симуляции периодические граничные условия в X и Y направлении применяя PEC (идеальный электрический проводник) и PMC (идеальный магнитный проводник) соответственно на верхнем и нижнем слое (Рис. 1b). Анизотропная проводимость на ячейках обеспечивалась включением локализованного магнитного поля. S-параметры SHPA симулировали в диапазоне 430 ТГц до 1000 ТГц с шагом 100 ТГц. Отражение (R), прохождение (T) и поглощение (A) диапазон получен по A = 1 - T - R, где |S₁₁|² = R и |S₂₁|² = T. Плоская волна электрического поля определена как E = E_x Cos(ωt + kz) распространяющаяся к Z-оси, где E_x амплитуда электрического поля, ω угловая частота, t время, k волновое число.

Геометрическая структура развития для метаматериала, предложенного Пендроу, широко применима для микроволнового диапазона, но ТГц режим, т.е. видимая и оптическая частота показывает главные недостатки в отрицательной магнитной проницаемости и параллельном распространении многослойной подложки. Так что альтернативный дизайн подход металл-диэлектрик-металл иллюстрирует хороший отклик как резонансный магнитный диполь для нормального распространения к структуре, демонстрируя отрицательную магнитную проницаемость и упрощенная слойная структура относительно легко фарбикуема в наноразмере. Более того, проектирование метаматериального поглотителя с DNG свойствами в трех измерениях требует нескольких характеристик на структуре, таких как обратное распространение, обратный доплеровский эффект, усиление эваanesцентных волн и т.д. Хотя теоретический анализ и возможности касательно видимого частотного спектра уже описаны экспертами. Таким образом, тонкопленочная наноструктура DNG характеристик-базированный MA касается отрицательных ε и μ и обычно применяется как периодический тонкий металлический массив. Тонкий металлический пластинчатый массив разбавляет свободно-электронную плазму, описанную «Друде» моделью, но так как мы рассматриваем верхний слой как лоссивый, следовательно, уравнение (1) для ε и μ.

Результаты, анализ и обсуждение

Мощность и диэлектрические свойства ячейки

Согласно фото-квантовому методу, определенное количество мощности требуется на граничном условии ячейки, особенно в направлении распространения, угле поляризации, E-поля и H-поля токопотоке и т.д. Так что давайте проанализируем мощность, необходимую для распространения в многокристаллическом направлении. Уравнения (2) и (3) основаны на комплексной теореме Пойнтинга, вдохновленной. Факт в том, что мощность, получаемая ячейкой, будет солнечным светом, который всенаправленный, и поток мощности через поглотитель должен идти в направлении для усиления эффективности. Таким образом, мощность распространяющейся волны просто пропорциональна вещественной части вектора, связанного со временем-усредненным параметром. Стимулированная мощность на одном или обоих портах распространится через ячейку. Остаток энергии уйдет через все порты (исходящая мощность). Принятая мощность в ячейке конвертируется в потери, такие как диэлектрические свойства материалов, пластины или сосредоточенные элементы, рассматриваемые для SHPA нано-рукоятей. Рассматривая вещественную часть комплексной средней мощности в Z-направлении уравнение (2). Которая также валидна для (Z-отрицательное направление) для описания чистого потока энергии на конкретном порту. ½ фактор в уравнении (2) связан со временем-усреднением по часовой стрелке поля. Мнимая часть мощности может быть игнорирована из-за нераспространяющейся реактивной или накопленной энергии и может вычислить переданную мощность (P_T) наблюдая среднюю временную мощность вдоль X и Y осей соответственно уравнение (3). Аналогично, принятая и исходящая мощность вычислялась используя уравнение в [43] и отображалась на Рис. 2, где ассоциированная мощность (Рис. 2a) и мощность через ячейку (Рис. 2b) нано-метапоглотитель наблюдались во время симуляции. Стимулированная мощность ограничена 0,5 ваттами во всем спектре, в то время как принятая и исходящая мощность в обоих портах имеет наоборот распределение мощности. Однако 3D поток мощности показывает необычные характеристики из-за инерции дипольного момента с рабочим частотным диапазоном и негомогенным состоянием проникновения материала. Начиная с 430 ТГц, большинство дипольного момента не организовано, так как ТГц операция на начальной стадии имеет поляризационный эффект и стабильно имеет правильный дипольный эффект после 715 ТГц, который продолжался до 1000 ТГц. Кроме того, полупроводниковое свойство GaAs материала, а также ферромагнитные характеристики Ni ответственны за препятствование потоку мощности, но к счастью не так доминирующе. Диэлектрические свойства (ε, μ, η) извлеченные из S-параметров для численного исследования для оценки метаматериальных свойств. Ячейка поглотителя с тремя разными материалами имеют изолированные характеристики в ЭМ волновом распространении, но эта уникальная структурная размерность с каскадной емкостью и индуктивностью на верхних пластинах модифицирует конвенционные свойства индивидуальных материальных диэлектрических особенностей и изображает уникальные свойства. Теперь, извлекая диэлектрические свойства DRI метод использовался, где коэффициент передачи (S₂₁) и коэффициент отражения (S₁₁) были критическими параметрами.

Рис. 3 показывает все смоделированные результаты предложенного SHPA нано-метапоглотителя. Рис. 3a,b величина S₁₁ и S₂₁ имеет почти последовательную величину как в вещественной, так и в мнимой части. Хотя ИК диапазон отклика имеет три последовательные малые резонансные точки из-за эффекта кожной глубины (δ) структуры, к счастью, он играет позитивную роль в получении отрицательной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и рефрактивного индекса. Рис. 3c,d,e соответственно показывают вещественные и мнимые значения этих свойств и обеспечивают существование метаматериала на предложенном SHPA. Кроме того, интенсивные тепловые электромагнитные эваanesцентные поля необходимо рассматривать из-за перспективы применения сбора солнечной энергии. Экспериментально упомянуто в [45, 46], что во время ближнеполевого излучения два последовательных материальных теплопроводности постепенно увеличиваются. Кроме того, поверхностные поляртоны также доминируют эваanesцентные волны и согласно «Друде» модели, комплексная диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость определяются волновыми поляризациями внутри ячейки. Рис. 3 c,d,e представляет диэлектрические свойства, где низко-длинноволновая операция диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости затронута этой эваanesцентной волной. Следовательно, отрицательные характеристики предложенной ячейки значительно видимы и обеспечивают хорошее ЭМ поглощение. Трансляционная линия характеристики и КСВ (коэффициент стоячей волны) SHPA нано-поглотителя на Рис. 4 четко показывают величину отражения и трансляционную линию производительность. КСВ при 430 ТГц импеданс был высоким, и половина длины волны линии не имеет хорошего согласования от источника к нагрузке. Следовательно, ЭМ сигнал поглощение количество также низко на более низкой частоте, но постепенно импеданс пытался согласовать (с нормализованным) как можно больше, результатом с выше 90% поглощением в ИК спектре (1000 ТГц). Поскольку ячейка представляет поглощающий элемент, а не излучающий элемент; следовательно, его КСВ на стороне нагрузки не имеет более высокого значения.

Поле-эффект анализ

ЭМ природа света — поперечная электромагнитная волна в видимых областях. Свет, идущий от солнца, разделен на три спектра: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ). Спектральное распределение энергии солнечного света имеет максимальную интенсивность 1,5 эВ в видимом диапазоне, похожей на большинство полупроводниковых материалов, в то время как два других спектра производят тепло, если поглощены. Так что, рассматривая типичное видимое ЭМ распространение и граничные условия, указанные на Рис. 1b, электрическое поле (E-поле) и магнитное поле (H-поле) числовая производительность показана на Рис. 4. Хотя резонансная частота 445 ТГц характеристики присутствуют на фигуре, но полная полоса 430–650 ТГц имеет похожее распределение поля. Теперь векторные волновые уравнения как упомянуто в [47] уравнение (4), где одномерный векторный дифференциальный оператор ∇ немного варьируется с фазовой вариацией во время ЭМ волнового распространения, электрические и магнитные компоненты поля — E_m и H_m соответственно, постоянная распространения γ = √(jωμ(σ + jωε)) комплексная величина, связанная с затуханием и фазовым отклонением волны. Поскольку видимая световая волна имеет как волновые, так и корпускулярные свойства, волновое распространение через ячейку материал показывает вариацию в терминах E-поле и H-поле характеристики. Более того, γ имеет нелинейную связь с диэлектрическими свойствами по мере постепенного увеличения рабочей частоты. Рис. 5 показывает каждый нано-расщеп на SHPA значительную E-поле компоненту (2,31 × 10⁶ В/м в лог шкале) существующую на резонансе 550 ТГц. Хотя по смоделированному частотному региону (видимый и УФ), это сильное E-поле наблюдается с легкой вариацией в амплитуде. Горизонтальная и вертикальная пластинчатая планка (с четырьмя расщеплениями) также вносят поле компоненту с амплитудной вариацией (2,08 × 10⁵ ~ 2,31 × 10⁶ В/м лог шкала). Во время переходного анализа SHPA ячейки (двухступенчатая каскада) данная емкость и индуктивность 1,37 × 10⁻¹⁷ нФ и 3,87 × 10⁻¹⁴ нГн ускоряют резонансную частоту поле операцию. H-поле (Рис. 5b) имеет похожий эффект от ЭМ распространения вдоль Z-направления, и во время негомогенного проникновения среды, уравнение (5) становится функциями Z и в которой магнитная проницаемость постоянная. Тогда соответствующее волновое уравнение редуцируется к «Риккати дифференциальному уравнению» уравнение (5), где k волновое число, и m(z) комплексный рефрактивный индекс. Более того, фазовое задержание волны увеличивается с отношением фазовой скорости в свободном пространстве и среде, что является еще одним значительным вкладом предложенной ячейки SHPA для более низкой отражательности и поглощения большей энергии от волны.

Поляризация световой волны изучалась на предложенной ячейке SHPA для объяснения пригодности ячейки для сбора солнечной энергии, так как поляризованная волна через поверхность теряет свою энергию во время распространения. Гамильтонова формулировка упомянула, что переходные дипольные матричные элементы варьируются для TE и TM поляризации в разных углах падения волны на GaAs материале. Угол поляризации для обоих TE и TM мод увеличивает шаг 40° (Рис. 6), и электрическое поле поляризации угла имеет удивительно доминирующий эффект по сравнению с магнитным полем ориентацией. Во время TE режима, на нижнем диапазоне, приблизительно 430–650 ТГц (690 нм до 460 нм) для заданной разницы Ni-GaAs подложки комбинации, разница между ядром и оболочкой слоев делает вариативный рефрактивный индекс, который увеличивается, когда видимая длина волны приближается к запрещенной зоне. Следовательно, флуктуация поглощения наблюдается на том спектре (Рис. 6a), тогда как TM поляризация показывает похожий тип флуктуации несмотря на изменение угла поляризации от 0° до 120°. В TM режиме, фазовое несоответствие обычно становится большим для более длинных длин волн. Кроме того, гексагональная форма имеет значительный эффект на поглощение при вариации расщепления и высоты пластины. Емкость, образованная расщеплением пластины, варьируется, тогда как смежная емкость позицией пластины стоит. Рис. 6c расщепление меняется от 5 нм до 25 нм и меньшее расщепление дает отличное поглощение из-за существенной емкости. Несмотря на изменение расщепления, поглощение почти остается выше 90% для 5 нм, и постепенное увеличение расщепления делает начальное поглощение падение около 430–500 ТГц, но в целом 95% поглощение наблюдалось во время симуляции. В терминах SHPA высоты (Рис. 6d), так как расщепление пластины остается 10 нм, ЭМ сигнал распространения площадь коллективно увеличивается как для нормального, так и для косого падения и следовательно высота расщепления оптимизируется с более высоким значением с поглощением. Для SHPA высоты или толщины 60 нм до 90 нм среднее поглощение 85% до 88%, что прямо указывает на оптимизацию для 90 нм.

Однако фарбикованный прототип и измеренные результаты SHPA поддержат смоделированные данные, что будет продолжено на следующей фазе исследования. Кроме того, сравнительная картина описана в Таблице 2 для понимания вклада предложенного нано-метапоглотителя. В Таблице 2, сообщенная статья показывает хорошую эффективность, но рабочая частота и узкополосная производительность делают ее неспособной соответствовать видимой частотной операции. Другие статьи заявляли для приложений сбора солнечной энергии, но полоса и рабочий диапазон делают их более уязвимыми по сравнению с другими.

Заключение

В этой статье предложен расщепленный гексагональный метаматериальный поглотитель, использующий Au шесть нано-рукояти на базе GaAs и Ni подложки для приложений сбора солнечной энергии. Фото-квантовый анализ и распределение потока мощности математически показывают, что предложенная ячейка имеет значительную фотонную конверсионную возможность для фотоэлектрических или солнечных приложений. Производительность предложенной ячейки SHPA анализировалась на основе диэлектрических свойств, трансляционной линии производительности, поля и распределения мощности, поглощения в терминах параметрического исследования. Все данные извлекались из S-параметра через CST MWS симуляцию, которая показывает, что DNG характеристики существуют с ультраширокополосным ЭМ поглощением (более 95%) как в видимом, так и УФ спектре света. Оптимизированная Hexa пластинчатая ячейка — 10 нм расщепление и высота 90 нм для заявленного поглощения. Экспериментальная валидация предложенного поглотителя будет дополнительно продолжена для того, чтобы стать желаемым кандидатом в ТГц диапазоне приложений сбора энергии.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

CDN

Классический дипольный наноантенна

DRI

Прямой рефрактивный индекс

DNG

Двойно-отрицательный

EM

Электромагнитный

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

GA

Генетический алгоритм

PV

Фотовольтаический

SHPA

Массив расщепленных гексагональных пластин

UV

Ультрафиолетовый