Halfgeleider-nanoantenne-geassisteerde zonne-absorber voor ultrabreedband lichtvangst

Resultaten en discussie

Figuur 1b toont het absorptiespectrum van de geoptimaliseerde absorber bij normale incidentie (gemarkeerd met "Absorber", zwarte lijn). Ter vergelijking:de absorptiespectra van de MSM-structuur (gemarkeerd met "MSM", rode lijn) en de MSM-structuur die alleen is gecoat door GaAs-nanoantennes (gemarkeerd met "De structuur zonder de ITO-laag", blauwe lijn) worden ook getoond in Fig. 1b. Voor de structuur met de eenvoudige MSM drielaagse filmstructuur is de absorptie minder dan 70%. Wanneer de GaAs-nanoantenneperiode-array op de MSM-structuur wordt geplaatst, wordt een ultrabrede absorptieband met versterkte absorptie van 657 tot 2679 nm bereikt. Dit geeft aan dat de GaAs-nanoantenne-array hier verantwoordelijk is voor de sterke absorptie in het brede golflengtebereik. Merk op dat de absorptie-intensiteiten in het bereik van 991-1455 nm en 2004-2388 nm nog steeds minder dan 90% zijn. Voor de voorgestelde absorber versterkt de geïntroduceerde 80 nm dikke ITO-nanoantenne-array de absorptie verder en vergroot de absorptieband. Rekening houdend met A> 90%, wordt een ultrabreed absorptiefenomeen gevonden met een absorptiebandbreedte tot 2402 nm die de zichtbare, nabije en midden-infrarode gebieden (468-2870 nm) overspant. De gemiddelde absorptie wordt verhoogd tot 95,5%. Dit komt doordat de 80 nm dikke ITO-laag een antireflectierol speelt, wat het antireflecterende effect van GaAs-nanoantennes verder kan versterken. Bovendien is de 80 nm dikke ITO-laag hoog genoeg om een ​​lage plaatweerstand mogelijk te maken, dus lage laterale transportverliezen van de dragers over honderden microns naar laterale metalen contacten [35]. Dientengevolge wordt de grote verbetering van de absorptiebandbreedte en absorptie-efficiëntie bereikt, groter dan die absorbers gebaseerd op de edelmetaal-halfgeleidercomposietsystemen [32,33,34,35,36,37]. De sterk vergrote absorptie is voornamelijk afkomstig van de excitatie van GMR's en holtemodi en hun gehybridiseerde koppelingseffecten [18].

De elektromagnetische veldverdelingen (|E | en |H |) en de stroomdichtheid (J ) van deze absorber bij verschillende golflengten (d.w.z. 594 nm, 1430 nm en 2586 nm) worden onderzocht. Bij 594 nm is de elektrische veldenergie voornamelijk geconcentreerd op de nanoantenne-luchtinterface en de sterke magnetische veldenergie bevindt zich in de GaAs-nanoantenne en ITO-laag (Fig. 2a, b). Deze geven aan dat de GMR's en holtemodi worden geëxciteerd [18, 26]. De elektrische stroom in de GaAs-nanoantennes (Fig. 2c) bevestigt de effectiviteit van GaAs-nanoantennes voor deze absorptieverbetering [48, 49]. Bij 1430 nm bestaat het sterke elektrische veld voornamelijk in de luchtsleuven nabij de nanoantennes (figuur 2d), wat de aangeslagen holtemodi impliceert [18, 26]. In Fig. 2e bevindt de magnetische veldenergie zich op de GaAs-nanoantenne-Ti-filminterfaces, wat aangeeft dat de aangeslagen GMR's en holtemodi beide bijdragen aan het licht dat in de structuur is gekoppeld en de SPP's verder prikkelen nabij de interfaces van GaAs-film-Ti film [9, 18, 20, 39]. De elektrische stroom verdeeld in de Ti-film getoond in Fig. 2f levert een sterk bewijs dat het invallende licht volledig in de structuur is gekoppeld. Bij 2586 nm bevinden de elektromagnetische energieën zich voornamelijk in de sleuven tussen de nanoantennes en op de interfaces van GaAs nanoantenna-Ti-film en GaAs-film-W-film (Fig. 2g, h), en de elektrische stroom verdeelt zich voornamelijk aan het bovenoppervlak van de W-film (figuur 2i). Deze demonstreren opnieuw het licht dat is gekoppeld aan de onderliggende lagen van de structuur door de GMR's, SPP's en holtemodi. Daarom wordt geconcludeerd dat de aangeslagen GMR's, SPP's en holte en hun synergie resulteren in de breedband en bijna perfecte absorptie [18].

Elektrisch veld |E |, magnetisch veld |H | verdelingen en stroomdichtheid J op 594 nm (a –c ), 1430 nm (b –f ), en 2586 nm (g –ik ), respectievelijk

In de praktische toepassingen van de zonneabsorbers zou lichtabsorptie minder gevoelig moeten zijn voor de invalshoeken en polarisatiehoeken [2, 3, 6, 18, 20]. Bij de meeste absorbers op basis van het GaAs-materiaal wordt echter zelden de polarisatiehoek en invalshoek onderzocht [36, 39]. Figuur 3a toont de absorptie-evolutie voor de voorgestelde zonneabsorbeerder onder de TM-polarisatie met een schuine instraling. Vanzelfsprekend is het absorptie-effect bijna robuust in het bereik van 468-3000 nm met een invalshoek tot 55° en slechts een lichte afname van de golflengte in het midden-infrarode gebied. De absorptieband zal extreem verminderen als de invalshoek groter is dan 55°. Figuur 3b toont de absorptie van licht onder verschillende polarisatietoestanden, waarbij 0° overeenkomt met de TM-polarisatie en 90° overeenkomt met de transversaal-elektrische (TE) polarisatie. Er wordt waargenomen dat de absorptie perfect kan worden gehandhaafd in het kortere en langere golflengtegebied (468-1010 nm en 1800-3000 nm) wanneer de polarisatiehoek toeneemt van 0 tot 90 °. Hoewel de absorptie in het nabij-infraroodgebied afneemt, ligt deze nog steeds boven de 50%. Over het algemeen moet de hoekige en gepolariseerde ongevoeligheid van de absorptie worden toegeschreven aan de goede afstemming van de impedantie en het intrinsieke verlies [18, 19].

Absorptiemapping van de zonneabsorber onder een instelbare invalshoek (a ) en polarisatiestatus (b )

Verder voeren we het onderzoek naar de zonneabsorptie uit door de geoptimaliseerde absorber onder de verlichting van de AM 1.5-bron te plaatsen. De zonneabsorbeerder vertoont een bijna perfecte absorptie in de zichtbare, nabije en midden-infrarode gebieden, die de belangrijkste distributiegebieden van zonnestralingsenergie overspannen (Fig. 4a). Omdat er meerdere resonantietoestanden tegelijkertijd optreden, wordt zonne-energie bijna als één geheel opgevangen door de absorber. Deze demonstreren de hoge efficiëntie van de absorptie van zonne-energie in een dergelijke structuur. Bovendien dragen de gebruikte vuurvaste materialen in deze absorber bij aan het handhaven van de thermische stabiliteit van deze structuur wanneer de temperatuur in een bepaald bereik stijgt. Daarom kan worden geconcludeerd dat onze voorgestelde absorber een bredere toepassing heeft in foto-elektrische apparaten [50].

een Standaardspectrum van zonnestraling AM 1.5 en zonne-energieabsorptiespectrum van de zonneabsorber onder AM 1.5. b Geabsorbeerde en gemiste energie van de zonneabsorbeerder in het volledige spectrale bereik van zonnestraling

Zoals gerapporteerd in [36], is de kortsluitstroomdichtheid J _sc voor AM1.5 zonneverlichting wordt beschreven door \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{ e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) waarbij e is de elektronenlading, h is de constante van Planck, λ is de lichtgolflengte, Φ_AM1.5 (λ) is de zonnestraling bij AM 1,5, A(λ ) is de absorptie, en c is de lichtsnelheid. Hier hebben we de kortsluitstroomdichtheid onderzocht door de dikte van GaAs-nanoantennes te veranderen met andere parameters die onveranderlijk zijn. Wanneer t ₂ is afgestemd van 30 tot 210 nm met een stap van 30 nm, de verzamelde fotostroom wordt afgeleid zoals weergegeven in Fig. 5. Een sterke regelmaat met de dikte t ₂ wordt verkregen omdat J _sc is voornamelijk afhankelijk van het aantal resonantiemodi in het bereik van 300-3000 nm. De maximale J _sc gelijk aan 61,947 mA/cm ² wordt verkregen wanneer t ₂ =120 nm, wat veel groter is dan die gerapporteerd door Meng et al. (30,3 mA/cm ² ) [35].

Kortsluitstroomdichtheid met de dikte van de GaAs-nanoantenne onder het TM-gepolariseerd licht