Numerieke studie van een efficiënte zonne-absorber bestaande uit metalen nanodeeltjes

Resultaten en discussie

Voor eenlaagse NPA wordt de absorberende prestatie weergegeven in figuur 2, variërend met de dikte van de diëlektrische laag hh. In Fig. worden twee onderscheiden regimes waargenomen, namelijk het regime van de dunne diëlektrische laag (hh < 100 nm) en het regime van de dikke diëlektrische laag (hh > 100 nm). Bij het dunne-diëlektrische laagregime wordt de goed absorberende band breder met de toename van de dikte hh. Bij het regime van de dikke diëlektrische laag treedt echter een absorberende dip op bij een korter golflengtebereik en het goed absorberende gebied krimpt naarmate de diëlektrische laag dikker wordt. We kiezen hh = 100 nm in onze volgende studie vanwege de relatief goed absorberende prestaties over de operationele band en ook vanwege het feit dat er geen duidelijke absorberende dip in het zichtbare gebied optreedt.

een , b Absorberende prestaties voor eenlaagse NPA variërend met diëlektrische dikte hh

Wanneer er slechts één MD-laag in de structuur is, wordt een absorptie van meer dan 80% bereikt voor het golflengtebereik van 400 tot meer dan 1600 nm, wat al veel hoger is dan veel gerapporteerde zonneabsorbers. Met meer MD-lagen kunnen de absorberende prestaties van de absorber verder worden verbeterd. We plotten de absorptieprestaties van NPA met verschillende aantallen MD-lagen in Fig. 3. Met meer MD-paren toegepast op de NPA-structuur, neemt de absorptie in langere golflengten aanzienlijk toe. Met vier aangebrachte MD-lagen kan de absorptie van de overeenkomstige absorber bijna 80% overschrijden voor het golflengtebereik van 400 tot 2500 nm waarin het grootste deel van het zonnelichtspectrum is opgenomen. Met acht MD-lagen die op de NPA zijn aangebracht, wordt een absorptie van meer dan 90% verkregen in het grootste deel van het golflengtebereik van 400 tot 2500 nm. Met 12 MD-paren toegepast op de NPA, overschrijdt de absorptie 90% in de gehele werkende golflengte.

een , b Absorptie van de NPA-structuur met meerdere aangebrachte lagen. N -laag NPA betekent dat NPA met N MD-paren

Om de relatie tussen de absorptieprestaties van NPA-absorbeerders en het aantal MD-paren in de NPA-structuur verder te illustreren, berekenen we de gemiddelde absorptie van NPA-absorbers, variërend met verschillende aantallen MD-paren. De gemiddelde absorptie kan worden berekend als

waar λ ₁ en λ ₂ is in ons geval respectievelijk 2500 en 400 nm. De relatie tussen het aantal MD-lagen en de gemiddelde absorptie is weergegeven in Fig. 4. Met de toename van MD-paren stijgt de gemiddelde absorptie van 68,5% (enkele MD-laag) naar 95,4% (12 MD-lagen). Wanneer het aantal MD-paren meer dan 8 is, lijkt de groei van de gemiddelde absorptie zijn instinctieve grens te bereiken en zal relatief langzaam zijn. Volgens de berekening bereikt de gemiddelde absorptie van NPA met meer dan vijf MD-lagen tot 90% over het golflengtebereik van 400 tot 2500 nm. Deze absorber overtreft veel van eerder gerapporteerde absorbers in zowel absorptie-efficiëntie als perfecte absorptiebandbreedte.

Gemiddelde absorptie als functie van het aantal MD-lagen

Zoals we eerder vermeldden, kan de NPA-structuur een hoge absorptie realiseren, zelfs met slechts één MD-paar. Om de fysieke mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor de hoge absorptie van de enkellaagse NPA-structuur, plotten we de ruimtelijke verdeling van het elektrische veld in Fig. 5. Figuur 5a is de elektrische veldmagnitudeverdeling van de enkellaagse NPA-structuur in het vlak j = 0. Met invallend licht gepolariseerd langs x richting, wordt het elektrische bestand versterkt en beperkt rond de nanodeeltjes. Een dergelijk veldprofiel suggereert dat de absorptie kan worden toegeschreven aan de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) [25]. Om dat beter te laten zien, plotten we de transversale grootteverdeling van het elektrische veld van het deeltje in de z = 115 nm vlak (gemarkeerd in Fig. 1b) in Fig. 5e. Het is duidelijk dat elektrische veldversterking optreedt aan beide zijden van de metaaldeeltjes langs de polarisatierichting van invallend licht. Omdat de nanodeeltjes dicht op elkaar zijn gerangschikt, resulteert de LSPR rond de deeltjes die koppelen met aangrenzende LSPR samen in een hoge absorptie van de NPA-structuur. De koppeling van aangrenzende LSPR verbruikt licht en resulteert in een hoge absorptie van de NPA-structuur.

Elektrisch veld magnitude distributie (log₁₀ |E /E ₀ |) van NPA met enkele MD-laag:distributie van elektrische veldsterkte in y = 0 vlak bij golflengte a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm, en d 1580 nm; e verdeling van de sterkte van het elektrisch veld (|E /E ₀ |)in z = 115 nm vlak bij golflengte 905 nm

Vergeleken met NPA met enkel MD-paar, zijn de absorptieprestaties aanzienlijk verbeterd in het langere golflengtebereik voor de NPA-structuur met meerdere MD-paren. Om dit fenomeen te illustreren, plotten we de ruimtelijke elektrische distributie van de acht-MD-paar NPA-structuur in figuur 6. Voor licht met verschillende golflengten zijn de veldmagnitudeverdelingen verschillend. Voor licht met een kortere golflengte (Fig. 6a, b), wordt het voornamelijk geabsorbeerd door de bovenste MD-lagen. De elektrische veldsterkte en veldopsluiting rond het nanodeeltje in de onderste lagen van de structuur is zwak. Terwijl voor langere golflengten (Fig. 6c, d), bestaat de elektrische veldopsluiting duidelijk in alle MD-lagen en LSPR verschijnt sterk rond niet alleen de bovenste deeltjeslagen, maar ook de onderste deeltjeslagen. Dit betekent dat voor de NPA-structuur met meerdere MD-paren, de onderste MD-lagen niet goed deelnemen aan het absorberen van invallend licht met kortere golflengte. In plaats daarvan kan het invallende licht met een langere golflengte goed worden geabsorbeerd en omgezet in LSPR in de lagere MD-lagen. Dus het toevoegen van MD-paren aan de NPA-structuur zal de absorptieprestaties van de NPA-structuur voor licht met een langere golflengte aanzienlijk verbeteren, wat goed overeenkwam met de absorptiecurve in figuur 3a. Dit verklaart ook de reden waarom de absorptiecurves voor verschillende MD-paren in de NPA-structuur in figuur 3b schijnbaar toenemen in het langere golflengtebereik, maar samensmelten in kortere golflengte met de toename van MD-paren.

Elektrische magnitudeverdeling (log₁₀ |E /E ₀ |) van de acht-MD-paar NPA-structuur in de y = 0 vliegtuig op a 441 nm, b 638 nm, c 1580 nm, en d 2500nm. p1–p8 vertegenwoordigen de acht deeltjes in de ene eenheidscel van de acht-MD-paar NPA-structuur

Om een ​​dieper inzicht te krijgen in de NPA-structuur, berekenen we de absorptieprestaties van een vergelijkbare absorber—FMA (platte MDM-absorber, uitgezet in Fig. 7). De absorberende spectra bij verschillende metaallaagdiktes hd zijn uitgezet in Fig. 8. De laagdikte van SiO₂ is ingesteld op 100 nm, wat hetzelfde is als de NPA-structuur. Bij dikkere metaallagen neemt de absorptie van de FMA-structuur af. De absorptie van meer dan 90% wordt bereikt voor het golflengtebereik van 400 tot 1500 nm wanneer hd = 10 nm. Wanneer de metaallaagdikte hd echter wordt ingesteld op 20 nm, wat hetzelfde is als de metaallaagdikte van de NPA-structuur, neemt de absorptie-efficiëntie van FMA duidelijk af. Dit is gemakkelijk te begrijpen, omdat wanneer de metaallagen dikker worden, de reflectie van de structuur duidelijker is en de absorptie daardoor afneemt. De selectieve opname van FMA is beter dan NPA. Wanneer de golflengte meer dan 2500 nm is, is de absorptie lager dan 20%. Hoewel er veel MDM-absorbers zijn voorgesteld voor het absorberen van zonlicht [26, 27,28,29,30,31,32], overtreft de absorberende prestatie van onze FMA veel andere MDM-absorbers. De absorptie-efficiëntie van FMA is hoog en de absorberende bandbreedte is vrij breed. Een ander voordeel van MDM is de absorberende selectiviteit van FMA. Wanneer de golflengte meer dan 2500 nm is, is de absorptie lager dan 20%, waardoor het kan worden toegepast in de selectieve zonne-energiesystemen, zoals TPV-systemen. Bovendien is de dikte van de metaallagen in FMA 10 nm, wat dikker is dan de MDM-absorber in refs. [31, 32] en maakt het gemakkelijker om te fabriceren. Deze voordelen zijn allemaal te danken aan de toepassing van wolfraam in de FMA-structuur in plaats van edelmetalen die veel worden gebruikt in MDM-absorbers.

Diagram van platte metaal-diëlektrische meerlagige absorber (FMA)

Absorberende spectra van het acht-MD-paar FMA variërend met de metaaldikte hd. De dikte van de diëlektrische laag hh is ingesteld op 100 nm

Voor de MDM-absorbers is hun absorberend vermogen voor licht vaak gebaseerd op de Fabry-Perot-resonantie [2, 6, 33]. Als er meer MD-paren aan de structuur worden toegevoegd, ontstaat er een extra absorptiepiek in het absorptiespectrum voor FMA als gevolg van Fabry-Perot-resonantie. Om dit beter te laten zien, plotten we drielaagse FMA als voorbeeld. Afbeelding 9 geeft de absorberende prestaties weer van drielaagse FMA, variërend met de diëlektrische dikte hh. Voor zowel figuur 9a als figuur 9b verschijnen er drie absorberende pieken in het spectrum, die het resultaat zijn van Fabry-Perot-resonantie [2, 6]. De resonantiegolflengte van Fabry-Perot-resonantie neemt toe met de dikte van de holte [2, 6]. Hierin wordt de absorptieband breder naar een groter golflengtebereik met de toename van de diëlektrische laagdikte hh, en de absorptieband heeft een roodverschuiving in figuur 9.

Absorberende spectra van de drielaagse FMA als a hd = 20 nm en b hd = 10 nm variërend met diëlektrische dikte hh. Zwarte cirkels markeren resonantiepieken

Dit gebeurt ook met de NPA-structuur. Voor het absorptiespectrum in figuur 2a zou de absorptiepiek die rond 1000 nm verschijnt, het resultaat moeten zijn van Febry-Perot-resonantie. Wanneer er drie MD-paren zijn in NPA, zullen er ook drie absorberende pieken zijn in het absorberende spectrum (weergegeven in figuur 10) als het absorberende spectrum van drielaagse FMA in figuur 9. Wanneer echter acht MD-paren worden toegepast op NPA, de absorberende pieken smelten samen; er zijn slechts enkele absorberende pieken die kunnen worden waargenomen bij een langere golflengte. Bij het vergroten van de dikte van de diëlektrische laag in figuur 10, verschuift het absorberende spectrum rood. Vanwege de overeenkomsten van het absorptiespectrum van de drielaagse FMA en NPA, kunnen we concluderen dat de uitstekende absorptieprestaties van NPA ook moeten resulteren uit de Fabry-Perot-resonantie. Daarom zijn er zowel LSPR- als Fabry-Perot-resonantie in NPA. De uitstekende absorptieprestaties zouden het resultaat moeten zijn van het bestaan ​​van LSPR en Fabry-Perot-resonantie.

De absorberende spectra variëren met de dikte van de silicalaag hh in a de drielaagse NPA-structuur en b de achtlagige NPA-structuur

Het metaal dat we kiezen voor deze absorber is wolfraam. In ons eerdere werk [34] hebben we aangetoond dat ijzer een uitstekende kandidaat kan zijn voor toepassing in de zonne-lichtabsorbers. Zoals weergegeven in figuur 11, vergelijken we de absorptieprestaties van de wolfraam nanodeeltjesstructuur met de prestaties van absorptiemiddelen bestaande uit andere metalen nanodeeltjes onder dezelfde structuur. Een absorptie-efficiëntie van meer dan 92% voor het golflengtebereik van 400 tot 2500 nm wordt bereikt voor ijzerabsorbeerders. De goed absorberende bandbreedte van ijzerabsorbeerder (ongeveer 2,1 m) overschrijdt de bandbreedte van wolfraamabsorbeerder (ongeveer 1,8 m). De absorptie-efficiëntie van de gouden absorber en zilveren absorber bereikt slechts 90% binnen smalle golflengtebereiken. Hun absorberende prestaties zijn veel slechter dan de wolfraam- en ijzerabsorbeerders onder deze structuur. Dit resultaat komt goed overeen met ons eerdere werk [34], dat ook aantoont dat ijzerabsorbeerder vaak betere absorptieprestaties heeft dan edele metalen vanwege de goed op elkaar afgestemde toestand tussen de impedantie van ijzerabsorbeerder en de impedantie van vrije ruimte. Edelmetalen staan ​​bekend om hun uitstekende absorberende prestaties van zichtbaar licht op het gebied van absorptie van zonlicht. Ze worden echter meestal niet gebruikt in TPV-systemen als absorber of emitter, omdat ze het licht buiten het zichtbare lichtbereik niet goed kunnen absorberen. Bovendien zijn hun smeltpunten relatief laag (ongeveer 1000 °C), wat hun toepassingen in zonne-energiesystemen ernstig belemmert.

Absorptie van de achtlaagse NPA-structuren met verschillende metalen toegepast

Net als de wolfraam-NPA-structuur heeft het absorptiespectrum van de ijzer-NPA-structuur ook een roodverschuiving met de toename van de siliciumlaagdikte hh (uitgezet in figuur 12). Het absorptierendement is bijna 90% voor de gehele werkende golfband, afgezien van een absorptiedip van een golflengtebereik van 100 nm die optreedt wanneer de laagdikte hh meer dan 100 nm is. Vergeleken met figuur 7 overtreft de algehele absorberende prestatie van de ijzer-NPA-structuur die van de wolfraam-NPA-structuur. De gemiddelde absorptie van ijzernanodeeltjes (94,88%) en wolfraamnanodeeltjes (94,09%) overtreft die van goud (64%) en zilver (28,4%) nanodeeltjes. De uitstekende absorberende prestaties maken van ijzer een veelbelovend alternatief materiaal voor wolfraam in zonne-energiesystemen. Bovendien is ijzer kosteneffectiever dan wolfraam. Het smeltpunt ligt rond 1500 ° C en is hoger dan dat van edelmetaal. Voor wolfraam is de chemische stabiliteit een van de cruciale eigenschappen in zonnestelsels. Legering van ijzer en wolfraam kan de voordelen van de twee metalen hebben. We vergelijken hun reflecterende indexen verder in Fig. 13. Gegevens van goud en zilver zijn overgenomen uit referentie [35]. Het laat zien dat de optische eigenschappen van wolfraam en ijzer erg op elkaar lijken, vooral voor het denkbeeldige deel van hun reflecterende indexen, wat resulteert in hun vergelijkbare absorberende prestaties in de NPA-structuur.

Absorberende spectra variërend met laagdikte hh in de achtlaagse Fe-NPA-structuur

Vergelijking van de a reëel deel van de brekingsindex en b het denkbeeldige deel van de brekingsindex van veelgebruikte metalen

Voor de NPA-structuur kan de fabricage van dergelijke uniforme kleine deeltjes moeilijk zijn. Daarom is robuustheid van de put vereist voor de voorgestelde constructie. We hebben de absorberende prestatie berekend van constructies bestaande uit verschillende vormen en maten in Fig. 14a, b. Voor nanodeeltjes van verschillende groottes blijft de absorptie van de structuur meer dan 90% op bijna de werkende golflengte. Wanneer we de bolvormige nanodeeltjes veranderen in ellipsoïde nanodeeltjes in de NPA-structuur, neemt de absorptie af (getoond in figuur 4b). Voor E1- en E2-omstandigheden waarbij het elektrische veld zich langs de hoofdas van de ellipsoïde deeltjes bevindt, daalt de absorptie voornamelijk in het golflengtebereik van meer dan 1700 nm en blijft de absorptie in de kortere golflengte waar de meeste zonne-energie wordt verdeeld bijna hetzelfde . De gemiddelde absorptie in deze twee gevallen is meer dan 90%. Wanneer het elektrische veld zich langs de korte as van de ellipsoïde deeltjes bevindt, verandert de absorptie dramatisch. Daarom moet de richting van de hoofdas van het ellipsoïde-vormige nanodeeltje worden aangehouden om overeen te komen met de richting van het elektrische veld tijdens de fabricage.

een Absorberend spectrum van de NPA-structuur variërend met nanodeeltjesgrootte. b Absorberend spectrum van de NPA-structuur voor nanodeeltjes met verschillende vormen. S bol, E ellipsoïde, a de halve diameter van de hoofdas van de ellipsoïde, b is de halve diameter van de kleine as van de ellipsoïde. Voor E1 en E2 is het elektrisch gevijld langs de richting van de hoofdas. Voor E3 is het elektrische veld in de richting van de secundaire as

Bovendien is de dempingsconstante van wolfraam-nanodeeltjes vaak groter dan het bulkwolfraam vanwege oppervlakteverstrooiing en korrelgrenseffecten. Volgens de gegevens in referentie [36] herberekenen we de absorptie van de constructie met behulp van de verhoogde dempingsconstante van wolfraam. Het resultaat is uitgezet in Fig. 15. Wanneer de dempingsconstante van wolfraam toeneemt, blijft de absorptie in de kortere golflengte (van 400 tot 1700 nm) vrijwel onveranderd, terwijl de absorptie in de langere golflengte (van 1700 tot 2500 nm) toeneemt. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat wanneer de dempingsconstante van wolfraam in het infraroodgebied toeneemt, het denkbeeldige deel van zijn permittiviteit in het infraroodgebied zal toenemen [36] en resulteren in een toename van de absorptie. De verandering van de permittiviteit van wolfraam is duidelijker bij een langere golflengte dan bij een kortere golflengte. Daarom verandert de absorptie berekend met de verhoogde dempingsconstante in langere golflengte een beetje, terwijl deze in de kortere golflengte bijna onveranderd blijft.

Absorptie met verschillende dempingsconstanten van wolfraam

Tot dusver hebben we de NPA-structuur en FMA-structuur besproken en hun absorberende prestaties en absorberend mechanisme en de metalen die erin kunnen worden toegepast om een ​​hoge absorptie te bereiken. De toepassingen van deze absorbers kunnen echter verschillen. In een TPV-systeem zijn de selectieve absorberende eigenschappen vaak vereist om de thermische emissie van de zonneabsorber te verminderen. Dus meerlaagse NPA-structuren waarvan de absorptieprestaties zijn uitgezet in figuur 3b, zijn niet geschikt voor gebruik in een TPV-systeem vanwege de hoge thermische emissie van meer dan 2500 nm. De NPA-structuur met een paar MD-lagen (absorberend spectrum uitgezet in figuur 3a) en FMA-structuur (absorberend spectrum uitgezet in figuur 9) kan echter worden gebruikt in het TPV-systeem vanwege de lage thermische emissie van meer dan 2500 nm. Voor meerlaagse NPA-structuren kunnen ze nuttig zijn in andere zonne-energiesystemen waarin goed selectieve absorptieprestaties niet vereist zijn, zoals zonnestoomopwekking [37], afvalwaterbehandelingssystemen en waterverwarmingssystemen.