Hocheffizienter, perfekter, großer Winkel- und Ultrabreitband-Solarenergieabsorber für den UV- bis MIR-Bereich

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18044 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Obwohl auf der Suche nach dem idealen und ultrabreitbandigen Lichtabsorber verschiedene Materialien und Designs ausprobiert wurden, hat sich die Erzielung einer ultrabreitbandigen und robusten unpolarisierten Lichtabsorption über einen weiten Winkelbereich als großes Problem erwiesen. Die durch optische Metamaterialien bereitgestellten Möglichkeiten zur Lichtfeldregulierung sind eine potenzielle neue Technik für perfekte Absorber. Unser Ziel ist es, einen Ultrabreitband-Solarabsorber für den ultravioletten bis mittleren Infrarotbereich zu entwerfen und zu demonstrieren, der ein Absorptionsvermögen für TE/TM-Licht von durchschnittlich 96,2 % aufweist. In den sichtbaren, NIR- und MIR-Bändern des Sonnenspektrums wird die absorbierte Energie bei Sonneneinstrahlung gemäß dem Luftmassenindex 1,5 (AM1,5) mit über 97,9 %, über 96,1 % bzw. über 95 % bestimmt. Spektrumuntersuchung. Um diese Breitbandabsorption zu erreichen, folgt auf die Grundschicht aus TiN-Material die SiO2-Schicht und darüber eine Cr-Schicht mit strukturierten Ti-basierten Resonatoren mit kreisförmigen und rechteckigen Mehrfachmustern. Weitere Anwendungen in integrierten optoelektronischen Geräten könnten von der starken Absorption, den großen Winkelreaktionen und der skalierbaren Konstruktion des idealen Solarabsorbers profitieren.

Die rundum vollständige Absorption von omnidirektionalem und natürlich polarisiertem Licht über ein bestimmtes Wellenband, das alternativ als „Schwarzkörperabsorber“ bezeichnet werden kann, ist in der Solarphotovoltaik und anderen Anwendungen wie Fotodetektion und optischen Modulatoren äußerst vorteilhaft1,2. Es wurden Anstrengungen unternommen, möglichst gute Absorber zu entwickeln. Kohlenstoff-Nanoröhrenwälder3, Silizium-Nanokegel4, Oxid-Nanostäbe5, verschiedene metallische Nanostrukturen6 usw. sind einige der heute üblichen Nanomaterialien und Nanostrukturen, die in Schwarzkörperabsorbern verwendet werden. Diese künstlichen Subwellenlängenstrukturen mit kontrollierten optischen Reaktionen und Metaoberflächen haben sich kürzlich als potenzielle Kandidaten für perfekte Absorber herausgestellt. Die Vorteile perfekter Metasurface-Absorber bei der Steuerung des Lichtfelds, einschließlich ihrer einfachen Integration, ihrer ultradünnen Dicke und ihrer hohen Leistung, haben viel Forschung hervorgerufen7,8. Metallmuster, dielektrische Abstandshalter und eine Metallschicht von oben nach unten sind die typische Sandwich-ähnliche Konfiguration von Metamaterial Perfect Solar Energy Absorbern (MSPSEAs)9. Es ist auch erwähnenswert, dass die ursprünglich gemeldeten MSPSEAs mit einer einzigen Wellenlänge10,11,12,13 im Niederfrequenzbereich arbeiten14, was ihre praktische Anwendbarkeit einschränkt15. Infolgedessen wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um die Absorptionsbandbreite zu erweitern und die Ansprechfrequenz zu verbessern. Um die Antworthäufigkeit zu erhöhen, könnten die Strukturgrößen der Elementarzelle verkleinert werden. Die Erweiterung des Absorptionsbereichs kann auf zwei Arten erreicht werden: durch Überlappung der Absorptionsspitzen oder durch Reduzierung des Resonanzgütefaktors16,17,18,19,20. Mehrschichtstrukturen, plasmonische Nanokomposite und Elementarzellen mit allmählicher Größe wurden alle untersucht, um die oben genannten Ziele zu erreichen21. Ein weiterer Faktor, der die Leistung des Absorbers beeinflussen kann, ist das Material, aus dem er besteht. Zur Konstruktion von Breitband-MSPSEAs wurden neben den traditionelleren Metallen und Dielektrika auch andere Materialien und Dielektrika verwendet, darunter TiN, ITO und sogar schwarzer Phosphor22,23,24,25. Es wird erwartet, dass diese Metaoberflächen in den letzten Jahren eine Ultrabreitbandabsorption (UWB) erreichen werden, und es wurde nachgewiesen, dass sie über ein ultrabreites Betriebsband, das UV- bis Nahinfrarotwellenlängen (NIR) umfasst, eine Absorption von etwa 85 Prozent aufweisen26. Aufgrund ihres schwierigen Produktions- und Konfigurationsdesigns sind MSPAs derzeit nicht in der Lage, gleichzeitig ultrabreite Arbeitsbänder und ein hohes Absorptionsvermögen (> 90 %) zu erreichen. Um eine einwandfreie UWB-Absorption zu erreichen, sind neue Materialien und Anordnungen erforderlich.

Aufgrund ihrer Plasmonenresonanz und optischen Kopplungseigenschaften werden in diesen perfekten Absorbern häufig erlesene Metalle verwendet27. Ein schmales Absorptionsspektrum wird durch kurze Lagerung und hohe Kosten für die edelsten Metalle behindert. Um mit der Nachfrage Schritt zu halten, werden Absorber mit einem breiteren Spektrum erforderlich sein. Unter Verwendung von Titanmetall haben Lui et al. konnten eine breite Absorption über den gesamten Wellenlängenbereich erzielen28. Selbst bei Raumtemperatur ist Titan bemerkenswert stabil. Dieses feuerfeste Metall hat einen Schmelzpunkt von 1668 Grad Fahrenheit. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Titan (Ti)-Metamaterialien über breitbandige Absorptionsfähigkeiten verfügen29,30. Da die Imaginärkomponente der Dielektrizitätskonstante stark reduziert wurde, kann es über einen großen Frequenzbereich zu einem Verlust der Lichtabsorption kommen. Aus diesem Grund gilt die Plasmonik als ein Hauptmerkmal von Titan und seinen Verbundwerkstoffen31,32,33. Die Plasmonenabsorptionseigenschaften von Titan sind auf diese Eigenschaften zurückzuführen. Für Solarabsorbermaterialien eignen sich hingegen Refraktärmetalle, die höheren Temperaturen standhalten. Obwohl es nicht so häufig vorkommt wie Gold, Silber oder Kupfer, kann Titan die Bedenken hinsichtlich geringer Reserven und hoher Kosten erfolgreich angehen, da seine weltweiten Vorkommen deutlich größer sind. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dieser auf hochschmelzendem Metall basierenden Resonanzsysteme können sowohl neue Geräte wie Solarzellen und Wärmeübertragungssysteme als auch etabliertere Geräte entwickelt werden34,35,36,37,38.

In diesem Artikel haben wir einen Ultrabreitband-Solarenergieabsorber (UWBSEA) mit einer hohen Absorptionscharakteristik im Sonnenspektrum entwickelt, der den UV- bis NIR-Bereich abdeckt. Aufgrund der metallischen Schicht aus Titannitrid können die elektromagnetischen Wellen die Elementarzelle nicht verlassen und tragen zur hohen Absorption bei. Diese Eigenschaft hängt auch von der Wellenlänge sowie der Dicke der jeweiligen Schicht ab. Für den Wellenlängenbereich von 2670 nm wird eine durchschnittliche Absorptionsreaktion von mehr als 90 % beobachtet, und für den Wellenlängenbereich von 2000 nm haben wir eine durchschnittliche Absorption von mehr als 95 % erreicht. Der Entwurfsprozess der entwickelten UWBSEA wird in „Entwurf und Modellierung“ besprochen. Die Ergebnisse werden in „Ergebnisse und Diskussion“ vorgestellt und detailliert beschrieben, während „Schlussfolgerung“ das Papier zusammenfasst.

Das UWBSEA besteht aus vier Schichten, beginnend mit einer Titannitridschicht auf der untersten Schicht, und auf dieser Grundschicht wird die zweite Schicht aus Siliziumdioxid platziert, wie wir in Abb. 1a sehen können. Die dritte Schicht besteht aus Chrommaterial und wurde aufgrund seiner geringen Kosten und Reflexionseigenschaften ausgewählt26. Diese Struktur ist der Hauptgrund für die UWB-Reaktion und die Hauptkomponenten, die zur Absorption der elektromagnetischen Wellen beitragen. Die oberste Schicht des rechteckigen Resonators (RR) und des kreisförmigen Resonators (CR) besteht aus Titanmaterial, wodurch die gesamte Resonatorstruktur symmetrisch ist und zum polarisationsunabhängigen Ansprechverhalten beiträgt. Die physikalischen Parameter des vorgeschlagenen UWBSEA werden in Abb. 1b–d mit mehreren Ansichtsdarstellungen der Struktur, einschließlich der Draufsicht und der Vorderansicht, demonstriert. Wie in Abb. 1b – d angegeben, beträgt die Länge der Struktur SL 500 nm und die äußere und innere Länge von RR, SRL und SRL1 betragen 400 nm bzw. 300 nm. Der Radius von CR, CRR, ist auf 100 nm festgelegt. Die Dicke der Titannitridschicht, T1, ist auf 600 nm, T2, festgelegt, und die Dicke der SiO2-Schicht ist ebenfalls auf 700 nm eingestellt. Während die Dicke der Chromschicht, T3, auf 300 nm festgelegt ist und die RR-Dicke, TRR, auf 600 nm eingestellt ist und die CR-Dicke, TCR, bei 900 nm belassen wird. Das UWBSEA besteht aus drei Schichten aus TiN-, SiO2- und Cr-Materialien und einer Multiresonatorstruktur mit Ti-Material. Der FEM-Ansatz wurde verwendet, um die Reflexions-, Transmissions- und elektrischen Feldprofile der UWBSEA zu simulieren39. In allen Richtungen wird ein Tetraedernetz von 5 nm verwendet. Mit periodischen Randbedingungen entlang sowohl x als auch y wird das 3D-Modell einer Elementarzelle erstellt. Die z-Richtung wurde verwendet, um ebene Wellen einzuleiten, die auf die Elementarzelle einfallen. Die komplexen Brechungsindizes von Titan (Ti), Titannitrid (TiN), SiO2 und Chrom werden aus 40, 41 bzw. 42 abgeleitet.

Entwickelte UWBSEA-Struktur (a) die strukturelle Ansicht des UWBSEA, (b) Draufsicht, die die mehreren Resonatorstrukturen des UWBSEA zeigt, (c) Vorderansicht, die die verschiedenen Schichten des UWBSEA darstellt, (d) erweiterte Ansicht der mehreren Resonatorstrukturen des UWBSEA und der für den Bau des entwickelten UWBSEA verwendeten Materialien.

Die FEM-Methode wurde verwendet, um die Absorptionsspektren verschiedener Strukturen zu simulieren. Die simulierten Ergebnisse verschiedener Strukturen sind in Abb. 2 dargestellt. Wie hier ist der erzielte Transmissionsgrad aufgrund der von uns entworfenen optimalen Struktur für jede einzelne Struktur Null Daher können wir das Absorptionsvermögen mithilfe von A = 1 – R und T = 0 bestimmen, wobei R für die Reflexion und T für die Durchlässigkeit steht. Dies wird anhand der in den Abbildungen dargestellten Simulationsergebnisse validiert. 2 und 3. Eine Darstellung des Absorptionsoptimierungsverfahrens der UWBSEA ist in Abb. 2a dargestellt. Abbildung 2b zeigt die simulierten Spektren, während sich die Absorptionsleistung allmählich verbessert. Zunächst haben wir unter Berücksichtigung der Optimierung die dreischichtige Struktur bestehend aus der TiN-, SiO2- und Cr-Schicht ohne Resonatorstrukturen (WR) verwendet, und diese Struktur lieferte eine durchschnittliche Gesamtabsorption von 47,27 % der durchschnittlichen Absorption von UV bis mittlerem Infrarot ( Der MIR-Bereich liegt bei 57,27 %, 48,3 %, 45,03 % bzw. 50,41 %, und es wird ein maximales Absorptionsvermögen von 95,49 % beobachtet.

Darstellung des schrittweisen Erreichens der optimierten UWBSEA-Struktur, (a) mehrere Variationen von SEA-Strukturen bis zum Erreichen der UWB-Absorption und (b) entsprechendes Absorptionsdiagramm, (c) Balkendiagramm, das den Effekt des Einfügens neuer Strukturen darstellt auf die durchschnittliche Gesamtabsorption.

Absorptionsreaktion des entwickelten UWBSEA (a), Absorptions-, Reflexions- und Transmissionsreaktion des entwickelten UWBSEA, eine durchschnittliche Absorption über 90 % wird für den UWB-Bereich von 2670 nm erreicht und eine durchschnittliche Absorption über 95 % wird für den UWB-Bereich von beobachtet 2000 nm mit den sechs nahezu perfekten Absorptionspeaks, (b) Absorption unter solaren AM1.5-Bedingungen. Dem entwickelten UWBSEA wird im sichtbaren Bereich nur eine sehr geringe Menge Sonnenenergie entzogen, ansonsten wird eine nahezu identische Absorption beobachtet.

In der nächsten von uns simulierten Struktur haben wir den kreisförmigen Resonator aus Ti-Material mit einer Dicke von 900 nm zur vorherigen Struktur ohne rechteckigen Resonator (WRR) hinzugefügt. Wie wir in Abb. 2b sehen können, schwankt die erzielte Absorptionsreaktion stark, wenn der Durchschnitt angegeben wird Die Gesamtabsorption beträgt 49,95 %, wie in Abb. 2c dargestellt, und die Absorption im UV- bis MIR-Bereich beträgt 49,64 %, 48,45 %, 50,39 % bzw. 49,35 %, und für diese Struktur wird die maximale Absorptionsfähigkeit von 99,56 % erreicht. Obwohl die zweite Struktur die nahezu perfekte Absorptionsreaktion in Bezug auf UWB erreichte, fehlt sie immer noch, und die Verbesserung im Vergleich zu einer früheren Struktur ist mit lediglich 2 % sehr vernachlässigbar. Die dritte Struktur, die wir verwendeten, war ohne Zirkulatorresonator (WCR) und ersetzte ihn durch einen rechteckigen Resonator aus demselben Material mit einer Dicke von 600 nm, wie in Abb. 2a angegeben. Die Absorptionsreaktion dieser Struktur ergab eine durchschnittliche Gesamtabsorption von 89,44 %, und die durchschnittliche Absorption im UV- bis MIR-Bereich beträgt 85,67 %, 93,42 %, 89,69 % bzw. 88,41 % und der beobachtete maximale Peak beträgt 99,97 %. Hier haben wir eine drastische Änderung der Absorptionsreaktion beobachtet und erreichen auch den nahezu perfekten Absorptionspeak. Wenn wir jedoch in Abb. 2b etwa 1100 nm beobachten, sehen wir einen starken Abfall der Absorption und dennoch ist die Absorptionsreaktion nicht gleichmäßig und erreicht Spitzen . Um das Absorptionsverhalten weiter zu verbessern und die optimierte Struktur (OS) zu erhalten, verwendeten wir die Struktur mit der Kombination aus kreisförmigem und rechteckigem Resonator, wie in Abb. 1a gezeigt, und die Absorptionsergebnisse sprechen für sich, da wir das Gesamtbild beobachten können durchschnittliche Absorption von 96,2 %, und gleichzeitig beträgt die durchschnittliche Absorption im UV- bis MIR-Bereich 97,04 %, 97,90 %, 96,12 % bzw. 95,04 %. Es wurde auch ein nahezu perfektes maximales Absorptionsvermögen von 99,94 % beobachtet. Wie wir für jedes einzelne Band beobachten können, erreichen wir eine durchschnittliche Absorption von mehr als 95 % und können daraus schließen, dass die Ti-Materialschicht aus CR und RR in hohem Maße zum Erreichen des UWB sowie einer nahezu perfekten Absorptionsreaktion beiträgt. In Abb. 2 können wir beobachten, dass wir für jede einzelne Struktur aufgrund des optimalen Designs eine Durchlässigkeit von Null erreichen.

Die Absorptions-, Transmissions- und Reflexionsspektren des entwickelten UWBSEA sind in Abb. 3a dargestellt, und wir können beobachten, dass wir sowohl das UWB als auch eine nahezu perfekte Absorptionsreaktion erreicht haben. Wie wir in Abb. 3a sehen können, erreichen wir von 200 bis 2870 nm eine durchschnittliche Absorptionsreaktion von 90 % oder mehr als 90 %, was der Bandbreite von 2670 nm entspricht, und in diesem Wellenlängenbereich wird die durchschnittliche Absorption von 96,71 % beobachtet . Anders als das vorgeschlagene UWBSEA zeigt es auch eine durchschnittliche Absorptionsreaktion von 95 % oder mehr als 95 % von 200 bis 2200 nm (Bandbreite von 2000 nm), und in diesem Bereich wird eine durchschnittliche Absorption von 97,20 % erreicht. Abgesehen davon zeigt die vorgeschlagene UWBSEA im simulierten Bereich von 200 nm bis 3000 nm die sechs nahezu einsigen Peaks, die über den gesamten UV- bis zum Mir-Bereich verteilt sind.

Wie in Abb. 3a gezeigt, liegen die sechs Peaks λ1 bis λ6 bei 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm und 2,69 µm mit einem maximalen Absorptionsvermögen von 99,94 %, 99,38 %, 99,83 %, 99,89 %. , 99,19 % bzw. 99,37 %. Daher können wir mit Sicherheit sagen, dass die UWBSEA-Struktur ein breites Absorptionsspektrum aufweist. Darüber hinaus ist das entwickelte UWBSEA in der Lage, Sonnenenergie über einen breiten Wellenlängenbereich von UV bis MIR zu absorbieren. Und wie bereits erwähnt, bietet diese optimierte Struktur auch eine durchschnittliche Absorption von 97,04 %, 97,90 %, 96,12 % und 95,04 % vom UV- bis zum MIR-Band. Die Absorptionsleistung eines Solarabsorbers kann anhand eines Sonnenspektrogramms, einem wichtigen Index, bestimmt werden. Es ist möglich, die weltweite Spektralgleichung für die einfallende Sonnenenergie von AM1.5 mithilfe dieser Formel43 zu erhalten:

Die spektrale Absorption eines Solarabsorbers bei 280–3000 nm kann aus Gl. berechnet werden. (1) und die von der entwickelten UWBSEA absorbierte und verpasste Sonnenenergie ist in Abb. 3b dargestellt. In dieser Studie schätzen wir die Menge an Sonnenenergie, die durch die Installation von Solarabsorbern im globalen AM1.5-Sonnenspektrum absorbiert und verloren geht. In den sichtbaren, NIR- und MIR-Bändern des Sonnenspektrums wird festgestellt, dass die absorbierte Energie über 97,9 Prozent, über 96,1 Prozent bzw. über 95 Prozent liegt, was auf die überlegene Absorptionsleistung des entwickelten UWBSEA in jedem einzelnen Bereich zurückzuführen ist Band. Mit der Verwirklichung der UWBSEA wird sie den Weg für die Entwicklung kostengünstiger Hochleistungsabsorber mit integrierter Optoelektronik ebnen.

Die in den Abbildungen durchgeführte Parameteranalyse. 4 und 5 zeigen, dass die physikalischen Parameter auch die Absorptionsreaktion beeinflussen. Abbildung 4a zeigt das Farbdiagramm, das den Einfluss der Cr-Schichtdicke zeigt, die von 100 nm mit einem gleichmäßigen Anstieg von 100 nm bis 500 nm zunimmt. Bei allen Werten erreichen wir eine Absorptionsreaktion von über 90 %, und man kann anhand dieser Abbildung nicht den besten Parameter bestimmen Daher wird die detaillierte Analyse in Bezug auf die Absorption durchgeführt und in Abb. 4b dargestellt. Wie in diesem Diagramm gezeigt, wird die durchschnittliche Absorption in allen Banden über 94 % beobachtet, aber bei 300 nm erreichen wir die durchschnittliche Absorption von 94,48 %, 98,20 %, 95,28 % und 96,1 % vom UV- bis MIR-Bereich, wobei die durchschnittliche Gesamtabsorption und das maximale Absorptionsvermögen 95,71 % bzw. 99,95 % für die sichtbaren, MIR- und Gesamtabsorptionsgrade und aus diesem Grund die Cr-Schicht am höchsten sind Die Dicke wird bei 300 nm gehalten. Der Einfluss der Strukturlänge, die von 500 bis 1000 nm variiert, mit einem gleichmäßigen Anstieg von 100 nm auf das Absorptionsspektrum ist in Abb. 4c dargestellt und wir können beobachten, dass die Absorption bis 1500 nm für alle Längenwerte ziemlich identisch ist und es zu größeren Abweichungen kommen kann Nach dieser Wellenlänge und aus der detaillierten Absorptionsanalyse in Abb. 4d erreichen wir für 500 nm Strukturlänge durchschnittliche Absorptionsgrade im UV- bis MIR-Bereich von 94,7 %, 97,67 %, 94,91 % und 94,94 % bei maximalem Absorptionsgrad und die durchschnittliche Gesamtabsorption beträgt 99,89 % bzw. 95,19 %. Abbildung 4e zeigt das Farbdiagramm, das den Einfluss des CR-Radius untersucht, der von 50 nm mit einem gleichmäßigen Anstieg von 25 nm auf 125 nm ansteigt. Für alle Werte erreichen wir eine nahezu äquivalente Absorptionsreaktion, und es ist schwierig, daraus den besten Parameter zu bestimmen Daher wird die detaillierte Analyse in Bezug auf die Absorption durchgeführt und in Abb. 4f dargestellt. Wie in diesem Diagramm gezeigt, steigt die durchschnittliche Absorption in allen Banden bis 100 nm an und bei diesem Wert erreichen wir die durchschnittliche Absorption von 94,71 %, 97,67 %, 94,91 % und 94,94 % vom UV- bis MIR-Bereich mit einer durchschnittlichen Gesamtabsorption und einem maximalen Absorptionsvermögen von 95,19 % bzw. 99,92 %, und aus diesem Grund wird der CR-Radius bei 100 nm gehalten.

Verschiedene physikalische UWBSEA-Parameter, die die Absorptionsreaktion beeinflussen, (a) Dicke der Chromschicht, die die Absorptionsreaktion beeinflusst, (b) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche einschließlich UV bis MIR sowie die maximale Absorptionsfähigkeit bei Erhöhung der Chromschicht anzeigt Dicke von 100 bis 500 nm mit einer allmählichen Änderung von 100 nm, (c) Länge einer Struktur, die die Absorptionsreaktion beeinflusst, (d) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie die maximale Absorptionsfähigkeit angibt Wir erhöhen die Strukturlänge von 500 auf 1000 nm mit einer allmählichen Änderung von 100 nm, (e) Radius des kreisförmigen Resonators, der die Absorptionsreaktion beeinflusst, (f) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche anzeigt, einschließlich UV bis MIR als maximales Absorptionsvermögen, da wir den kreisförmigen Resonatorradius mit der allmählichen Änderung von 50 nm von 50 auf 125 nm erhöhen.

Verschiedene physikalische UWBSEA-Parameter, die die Absorptionsreaktion beeinflussen, (a) Dicke der Substratschicht, die die Absorptionsreaktion beeinflusst, (b) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie die maximale Absorptionsfähigkeit bei Vergrößerung der Substratschicht anzeigt Dicke von 500 bis 1000 nm mit einer allmählichen Änderung von 100 nm, (c) rechteckige Resonatordicke, die sich auf die Absorptionsreaktion auswirkt, (d) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie das maximale Absorptionsvermögen wie wir anzeigt Erhöhen Sie die Dicke des rechteckigen Resonators von 500 auf 1000 nm mit einer allmählichen Änderung von 100 nm, (e) Dicke des kreisförmigen Resonators beeinflusst die Absorptionsreaktion, (f) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche anzeigt, einschließlich UV bis MIR als maximales Absorptionsvermögen, da wir die Dicke des kreisförmigen Resonators von 500 auf 1000 nm mit einer allmählichen Änderung von 100 nm erhöhen.

Abbildung 5 zeigt den Einfluss verschiedener Strukturdicken auf das Absorptionsspektrum. Der Einfluss der Substratschichtdicke, die zwischen 500 und 1000 nm variiert, mit einem gleichmäßigen Anstieg von 100 nm, auf das Absorptionsspektrum ist in Abb. 5a dargestellt. Wir können beobachten, dass die Absorption für alle Werte ziemlich identisch ist und man sich nicht für den besten Parameter entscheiden kann Diese Zahl ergibt sich aus der detaillierten Absorptionsanalyse in Abb. 5b. Für eine Strukturlänge von 700 nm erreichen wir durchschnittliche Absorptionsgrade im UV- bis MIR-Bereich von 94,48 %, 98,2 %, 95,28 % und 96,1 % werden mit dem maximalen Absorptionsgrad und dem Gesamtabsorptionsgrad erreicht Die durchschnittliche Absorption beträgt 99,93 % bzw. 95,71 %, sodass diese Dicke bei 700 nm gehalten wird. Abbildung 5c zeigt das Farbdiagramm, das den Einfluss der RR-Dicke zeigt, die von 500 nm mit einem gleichmäßigen Anstieg von 100 nm bis 1000 nm zunimmt. Für alle Werte erreichen wir eine Absorptionsreaktion von über 90 % und aus der detaillierten Absorptionsanalyse in Abb. In 5d liegt die durchschnittliche Absorption in allen Banden für die meisten Dicken bei über 90 %, und bei 500 nm selbst erreichen wir die höchsten durchschnittlichen Absorptionsgrade von 96,22 %, 98,70 %, 94,28 % und 91,67 % vom UV- bis zum MIR-Bereich mit einer durchschnittlichen Gesamtabsorption und einem maximalen Absorptionsvermögen von 94,4 % bzw. 99,97 %. Der Einfluss der CR-Dicke, die zwischen 500 und 1000 nm mit einem gleichmäßigen Anstieg von 100 nm auf das Absorptionsspektrum variiert, ist in Abb. 5e dargestellt. Wir können beobachten, dass die Absorption stark beeinträchtigt wird und große Schwankungen zu erkennen sind Um ein angemessenes Verständnis zu erlangen, haben wir die in Abb. 5 (f) dargestellte detaillierte Absorptionsanalyse durchgeführt. Für eine CR-Dicke von 900 nm erreichen wir die höchsten durchschnittlichen Absorptionsgrade im UV- bis MIR-Bereich von 91,68 %, 95,88 %, 96,942 % und 96,968 %. werden mit der maximalen Absorptionsfähigkeit und der durchschnittlichen Gesamtabsorption von 99,99 % bzw. 96,09 % erreicht.

Um zu erklären, wie das entwickelte UWBSEA eine Breitbandabsorption bei 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm und 2,69 µm erzeugen kann, werden außerdem elektromagnetische Feldverteilungen (EFD) für zwei Ansichten, einschließlich XY und, simuliert und demonstriert XZ mit ihrer Darstellung in Abb. 6a–f bzw. g–l. Der erste Peak von 99,94 % bei 220 nm wird beobachtet und der maximale EF ist nur über die rechteckigen und der kleinere EF über die kreisförmigen Resonatorstrukturen verteilt, wie in Abb. 6a, g dargestellt. Bei 560 nm wird der zweite Peak von 99,38 % beobachtet und im EFD-Diagramm aus Abb. 6b ist eine geringe Menge EF über den rechteckigen Resonator zu finden, während der größte Teil des EF über den kreisförmigen Resonator konzentriert ist.

Darstellung der elektrischen Feldverteilung des entwickelten UWBSEA an den sechs nahezu perfekten Absorptionspeaks mit zwei unterschiedlichen Ansichten, d. h. XY und XZ, jeweils (a,g) 0,22 µm, (b,h) 0,56 µm, (c,i) 1,5 µm , (d,j) 1,79 µm, (e,k) 2,63 µm, (f,l) 2,69 µm.

Der dritte Peak von 99,83 % bei 1500 nm wird beobachtet und der maximale EF ist über die gesamten rechteckigen und kreisförmigen Resonatorstrukturen verteilt, wobei im unteren Teil des rechteckigen Resonators im Vergleich zu früheren Fällen ein tieferer EF zu finden ist, wie in Abb. 6c, i dargestellt . Bei 1790 nm wird der vierte Peak von 99,83 % beobachtet und im EFD-Diagramm aus Abb. 6d ist eine höhere EF-Menge im rechteckigen Resonator und im kreisförmigen Resonator zu finden. Auch hier haben wir die maximale EF-Konzentration auf der Außenfläche sowohl der CR- als auch der RR-Oberfläche. Hier können wir auch die geringe Menge an EF über der Chrom- und SiO2-Schicht beobachten. Der fünfte Peak von 99,19 % bei 2630 nm wird beobachtet und die gleiche Menge an EF ist über die rechteckigen und kreisförmigen Resonatorstrukturen verteilt, wie in früheren Fällen beobachtet, wobei an den Cr- und SiO2-Schichten eine höhere EF-Konzentration gefunden wurde als in früheren Fällen, wie dargestellt in Abb. 6e,k. Bei 2690 nm wird der sechste Peak von 99,37 % beobachtet und im EFD-Diagramm aus Abb. 6f,la wird eine höhere Menge an EF über den rechteckigen Resonator und den kreisförmigen Resonator gefunden. Auch hier haben wir die maximale EF-Konzentration auf der Außenfläche der CR- und RR-Oberfläche, wobei die maximale EF-Konzentration über die Cr- und SIO2-Schichten verteilt ist. Das Einzige, was diesen Strukturen gemeinsam ist, ist, dass die Grundschicht aus TiN zur Auslöschung der Transmission beiträgt, weshalb keine EF-Konzentration und folglich keine Absorption in dieser Schicht gefunden werden.

Um in der Natur weit verbreitet eingesetzt werden zu können, muss der Solarabsorber polarisationsunabhängig und unempfindlich gegenüber großen Einfallswinkeln (IA) sein. In Abb. 7 ist die Absorptionsfähigkeit gegen Einfallswinkel und Wellenlänge für mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen aufgetragen. Abbildung 7a zeigt die Absorptionsreaktion unter TE-polarisiertem Licht und aus der Abbildung ist ersichtlich, dass wir nach 30 Grad und nach einer weiteren detaillierten Analyse der Absorption, wie in Abb. 7b gezeigt, beginnen, den Abfall der Absorption im sichtbaren und UV-Band zu beobachten Die durchschnittliche Gesamtabsorption, die durchschnittliche Absorption im NIR-MIR, liegt für den IA von 60 Grad immer noch über 90 %, und wir erreichen die höchsten durchschnittlichen Absorptionsgrade von 60,36 %, 47,6 %, 91 % und 91,81 % im UV- bis MIR-Band. Der allmähliche Abfall der durchschnittlichen Absorption von UV- und sichtbaren Banden wird nach 30 Grad IA beobachtet. Die durch TM-polarisiertes Licht beeinflusste Absorptionsreaktion ist in Abb. 7c dargestellt und wir können aus beiden Abb. 7c und d sagen, dass TE- und TM-polarisiertes Licht die entwickelte UWBSEA gleichermaßen beeinflussen, was die polarisationsunabhängigen Eigenschaften der vorgeschlagenen UWBSEA beweist. Abbildung 7e zeigt die Absorptionsreaktion unter unpolarisiertem (UP) Licht. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass wir nach 50 Grad und nach einer weiteren detaillierten Analyse der Absorption, wie in Abb. 7f dargestellt, in jeder Bande einen Abfall der Absorption zu beobachten beginnen Die durchschnittliche Gesamtabsorption liegt bei der IA von 50 Grad immer noch über 80 %, und wir erreichen die höchsten durchschnittlichen Absorptionsgrade von 90,9 %, 86 %, 81,37 % und 77,4 % in den UV- bis MIR-Bändern. Der allmähliche Abfall der durchschnittlichen Absorption von UV- und sichtbaren Banden wird nach 70 Grad IA beobachtet. Hier können wir also klar sagen, dass die vorgeschlagene Struktur unter unpolarisierten Lichtbedingungen im Vergleich zu den TE- und TM-Bedingungen stark absorbieren kann. Darüber hinaus erreichen wir für unpolarisiertes Licht eine höhere Absorption im sichtbaren Bereich für höhere IA, und da die Konzentration der Sonnenstrahlung in diesem Bereich hoch ist, weisen diese Ergebnisse eindeutig auf eine potenzielle Anwendung auch für die Verbesserung von Photovoltaikgeräten hin. Die Resonatorstruktur der vorgestellten Struktur ist symmetrisch und daher haben wir die identische Absorptionsreaktion sowohl für TE- als auch für TM-Moden erreicht. Die Absorptionsreaktion unserer Struktur variiert geringfügig in einem sehr kleinen Bereich nur für den Einfallswinkel bis 60° für den sichtbaren Bereich, da wir bis 60° für jeden Bereich außer dem sichtbaren Bereich die höhere Absorption erreichen und sie für die übrigen Winkel weiter verschlechtert wird. Um dieses Problem zu lösen, können wir eine Plattform konstruieren, um den Einfall des Strahls in diesen bestimmten Winkeln zu vermeiden und die richtige Absorptionsreaktion zu erreichen, um die Leistung von Photovoltaikgeräten zu verbessern.

UWBSEAs Absorptionsreaktion für verschiedene IA, (a) Absorptionsreaktion für IA für TE, (b) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie die maximale Absorptionsfähigkeit angibt, wenn wir die Substratschichtdicke von 0 auf erhöhen 80 Grad mit einer allmählichen Änderung von 10°, (c) Absorptionsreaktion für IA für TM, (d) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie die maximale Absorptionsfähigkeit angibt, wenn wir den IA von 0 erhöhen ° bis 80° mit einer allmählichen Änderung von 10°, (e) Absorptionsreaktion für IA für unpolarisiertes Licht, (f) Liniendiagramm, das die Änderung der durchschnittlichen Absorption für verschiedene Bereiche, einschließlich UV bis MIR, sowie die maximale Absorptionsfähigkeit bei Erhöhung angibt IA von 0° bis 80° mit einer allmählichen Änderung von 10°.

Aus Tabelle 1 geht klar hervor, dass unser UWBSEA gegenüber anderen Absorbern erhebliche Vorteile bietet. Wir möchten darauf hinweisen, dass es sich bei allen hier verwendeten Materialien von Ti bis SiO2 um leicht verfügbare und kostengünstige Materialien im Vergleich zu den Edelmaterialien handelt, die üblicherweise für den Solarabsorber verwendet werden. Darüber hinaus liegt die Dicke aller für die vorgeschlagene Struktur verwendeten Materialien unter 1000 nm. Die ersten drei Schichten, d. h. TiN, SiO2 und Cr, können leicht mit Hilfe der Dünnschichtabscheidung abgeschieden werden, und später ist der Resonator auf Ti-Basis einfach eine rechteckige und zylinderbasierte Struktur, die mit Hilfe der Lithographie einfach hergestellt werden kann Die dargestellten Strukturen sind sehr einfach. Wir können also feststellen, dass die vorgeschlagene Struktur einfacher und schneller zu konstruieren ist. Zweitens beträgt die Absorptionseffizienz unseres Absorbers 95 Prozent bei 2000 nm und 90 Prozent bei 2670 nm und ist damit höher als bei anderen Absorbern und somit überlegen. Unseren Ergebnissen zufolge weist unser Absorber eine hervorragende durchschnittliche Absorptionseffizienz im Vergleich zu einer gewichteten durchschnittlichen Absorptionseffizienz von AM1,5 auf. Wenn man alles berücksichtigt, wird klar, dass Solarabsorber aufgrund ihres einfachen Designs und ihrer hohen Leistung ein wichtiger Bestandteil der Sonnenabsorption sind.

Auf der Suche nach dem ultimativen Ultrabreitband-Lichtabsorber wurden verschiedene Materialien und Designs ausprobiert. Die Erzielung einer ultrabreitbandigen und starken unpolarisierten Lichtabsorption über einen breiten Winkelbereich hat sich als große Herausforderung erwiesen. Die Lichtfeldregulierungsfähigkeiten optischer Metamaterialien sind eine potenzielle neue Lösung für perfekte Absorber. Unser Ziel ist die Entwicklung und Demonstration eines ultrabreitbandigen Solarabsorbers für den ultravioletten bis mittleren Infrarotbereich mit einer durchschnittlichen TE/TM-Lichtabsorption von 96,2 %. In den sichtbaren, NIR- und MIR-Bereichen des Sonnenspektrums beträgt die absorbierte Energie gemäß der AM1.5-Spektrumanalyse mehr als 97,9 %, über 96,1 % bzw. mehr als 95 %. Darüber hinaus haben wir für den Wellenlängenbereich von 2000 nm eine durchschnittliche Absorption von mehr als 95 % erreicht, wobei die durchschnittliche Absorption 97,2 % beträgt, und für den Wellenlängenbereich von 2670 nm wird eine durchschnittliche Absorption von mehr als 90 % mit einer durchschnittlichen Absorption von 96,71 erreicht %. Um diese breitbandige Absorption zu erzeugen, folgt auf die Grundschicht aus TiN-Material die SiO2-Schicht und dann eine Cr-Schicht mit vielen kreisförmigen und rechteckigen Resonatoren auf Ti-Basis. Integriertere optoelektronische Geräteanwendungen könnten von der hohen Absorption, den großen Winkelreaktionen und der Skalierbarkeit des perfekten Solarabsorbers profitieren.

Die Daten werden auf begründete Anfrage dem entsprechenden Autor zur Verfügung gestellt.

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Fakultät für Computertechnik, Marwadi University, Rajkot, Gujarat, 360003, Indien

Shobhit K. Patel

Abteilung für EEE, SRM Institute of Science and Technology, Ramapuram Campus, Chennai, Tamilnadu, 600089, Indien

Arun Kumar Udayakumar

Abteilung für EEE, Kathir College of Engineering, Coimbatore, Tamilnadu, 641062, Indien

G. Mahendran

Abteilung für Elektronik und Kommunikationstechnik, St. Joseph's College of Engineering, OMR, Chennai, 600119, Indien

B. Vasudevan

Fakultät für Elektrotechnik, Marwadi University, Rajkot, Gujarat, 360003, Indien

Jaymit-Druck

Abteilung für Elektronik und Kommunikationstechnik, Marwadi University, Rajkot, Gujarat, 360003, Indien

Juveriya Parmar

Abteilung für Maschinenbau und Werkstofftechnik, University of Nebraska-Lincoln, 1400 R St., Nebraska, 68588, USA

Juveriya Parmar

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SKP hatte die Idee. SKP und AU waren an der Methodik beteiligt, AU und GM entwarfen ein geschichtetes Design, BV entwarf ein quadratisches Ringdesign, JS und JP entwarfen und optimierten das endgültige Design. Alle Autoren trugen zum Schreiben des Artikels bei. SKP betreute das Projekt.

Korrespondenz mit Shobhit K. Patel.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Patel, SK, Udayakumar, A., Mahendran, G. et al. Hocheffizienter, perfekter, großer Winkel- und Ultrabreitband-Solarenergieabsorber für den UV- bis MIR-Bereich. Sci Rep 12, 18044 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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Eingegangen: 22. August 2022

Angenommen: 21. Oktober 2022

Veröffentlicht: 27. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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