Ultra-breedband nano-meta-absorber met gesplitste hexagonale patch array voor superieure zichtbare & UV zonne-energie-opvang

Samenvatting

Zonne-energie is een van de omgevingsbronnen waar energie gemakkelijk zonder vervuiling geoogst kan worden. Intentionele oogst door de zonnecel om energie terug te winnen vereist een state-of-the-art techniek om energie-absorptie naar elektronenstroom te versnellen voor meer elektriciteitsproductie. Structuren van de zonnecel zijn onderzocht om absorptie-efficiëntie te verbeteren, hoewel de meeste ervan alleen efficiënt absorberen met smalle-hoektolerantie en polarisatiegevoeligheid. Er is dus een sterke vraag naar breedbandabsorptie met minimale polarisatiegevoeligheid absorber, wat vereist is voor effectieve zonne-energie-opvang. In dit papier stellen we een nieuwe Split Hexagonale Patch Array (SHPA) vorm metamateriaal absorber met Dubbel-negatieve (DNG) eigenschappen voor, wat een wijd absorptieband met lage polarisatiegevoeligheid voor zonne-spectrum energie-opvang zal leveren. De voorgestelde nieuwe SHPA vorm bestaat uit zes nano-armen met een enkele verticale splitsing die met pijlkop-symmetrie. Deze arm zal elektromagnetische (EM) resonantie sturen om absolute negatieve permitiviteit en permeabiliteit te verkrijgen, wat DNG eigenschap garandeert. Deze DNG metamateriaal eigenschappen geanalyseerd op basis van de fotoconversie kwantum methode voor maximale fotonabsorptie. De symmetrische kenmerken van de voorgestelde structuur stellen de absorber in staat om polarisatie-ongevoeligheid en wijd invalshoek absorptie mogelijkheden te tonen. Gesimuleerde SHPA toont een zichtbaar en ultraviolett (UV) spectrum elektromagnetische golf absorptie capaciteit van meer dan 95%. De kwantum methode geeft een voordeel in de conversie-efficiëntie van de absorber, en de numerieke analyse van de voorgestelde SHPA structuur levert absorptiekwaliteit voor THz regime energie-opvang door zonnecel of fotonische toepassing.

Inleiding

Materiaal engineering heeft bijgedragen aan de menselijke ontwikkelingsgeschiedenis vanaf de oudheid, en 'metamateriaal' gaat een van de cruciale doorbraken zijn. 'Meta', duidend op een verandering in het genre van materiaal, toont unieke diëlektrische kenmerken zoals negatieve permitiviteit en permeabiliteit, makkelijk te fabriceren. Verschillende toepassingspotentiës in metamateriaal maken verschillende onderzoekers over de hele wereld meer nieuwsgierig om benchmark innovaties in hun respectieve onderzoeksvelden te doen. Fotonische energieomzetting van zichtbaar frequentiebereik en het incorporeren ervan in energie-opvang, specifiek zonnecel-gebaseerd energie-onderzoek, is een van de veelbelovende gebieden in metamateriaal absorber. Zichtbaar spectrum of UV golfgolven omringen ons altijd zonder ernstige problemen en een overvloed aan energie. Onder alle gevestigde benuttingstechnieken worden fotovoltaïsche (PV) technologieën breed toegepast in veldtoepassingen, en in de laatste jaren is de state-of-the-art methode voorgesteld om prestaties te verbeteren om balans te brengen in toekomstige groene energie-uitdagingen. Bijvoorbeeld, enkelvoudige, multi-kristallijne, en polykristallijne cellen voor efficiëntieverbetering, PV-ontwikkeling met metaalhaldide perovskieten, organische en kwantumdot PV voor vermogensomzettingsefficiëntie verbetering, opto-elektronische kwaliteit van PV relevante materialen die de vermogensuitgang beïnvloeden, enz. Verder, materiaalfabricatiemethoden zoals sequentiële depositie van hoge-kwaliteit PV perovskiet laag, gecoate en geprint PV perovskieten, fotonhercycling, of algoritme gebaseerd op centroid analogie bij maximum vermogen punt, etc. zijn gericht op het verbeteren van de efficiëntie van de zonnecel.

Daarnaast is een potentiël veld van zonne-energie-opvang met een combinatie van antenne en gelijkrichter (diode) bekend als 'rectenna' ook onderzocht om de efficiëntie van een typische PV-cel te verbeteren. Rectenna's zijn hoofdzakelijk bestudeerd voor microgolf-gebaseerde krachttransmissie aangezien het hoogst efficiënt is in het omzetten van microgolfenergie naar elektriciteit. Bijvoorbeeld, een prototype gepatenteerd met nanotechnologie gericht op het omzetten van licht in elektriciteit met verbeterde efficiëntie en momenteel compatibel met de traditionele zonnecel. De experimentele procedure toont aan dat de rectenna geplaatst onder een PV-module een output gaf van 380 tot 480 W/m² met een gecombineerde module toegenomen van 10-20% tot 38-40%. Vanwege nanofabricatie techniek beperkingen werken de meeste prototypes in het ver-infrarood bereik in plaats van het zichtbare spectrum. Het kan verwacht worden dat nanotechnologie-ontwikkeling deze benadering verder kan versnellen. Dus recente artikelen adopteerden een diverse strategie om zonne-energie te oogsten, zoals de hybridisatie van RF-zonne-energie door de multiport transparante antenne bereikte 72,4% efficiëntie met 53,2% RF-naar-DC conversie-efficiëntie. Evolutieve dipool nano-antenne (EDN) gefabriceerd door e-bundel lithografie gewijd aan efficiëntie-optimalisatie voor opvang waar efficiëntie steeg van 30% tot 40% vergeleken met klassieke dipool nano-antenne (CDN). Metaal-isolator-metaal (MIM) geïntegreerd met SiO₂ tunnel toont conversie-efficiëntie meer dan 90%, Zhang en Yi stelden een vergelijkbare benadering voor met boogvormige nano-rectenna met een claimed conversie-efficiëntie van 73,38%. Evenzo, metamateriaal geïnspireerde rectenna met ingebedde Schottky-diode-gebaseerde 'Fabry-Perot (FP)' resonator demonstreerde hoge Q-factor en 16 keer prestatieverbetering, optische rectenna geïnspireerd door metamateriaal en ontwikkeld door semi-klassiek model stelt hoge-efficiëntie, lage-kost zonnecel. Niet alleen dat, diverse variaties in metamateriaal kenmerken verkend zoals schakelbare metamateriaal met bifunctionaliteit van absorptie, vanadiumdioxide-gebaseerde dunne metasurface, germanium geïnspireerde metasurface voor instelbare sensing. Naast het conventionele idee van energie-opvang, zijn de meeste metamateriaal absorbers of antenna's ontwikkeld voor RF energie-opvang in plaats van het zichtbare spectrum. Energie-opvang in deze artikelen kan niet bijdragen aan de zonnecel.

Recente onderzoek in THz bereik rectenna of metamateriaal absorber geïnspireerde nano-rectenna nog steeds onder laboratorium experiment of analyse vanwege diverse beperkingen zoals impedantie matching, integratie tussen eenheidscel en PV-cel, voeding van geconverteerde energie van de eenheidscel naar PV-eenheid, fotonconversie-efficiëntie, transportverliezen, etc. Bovendien neigen PV-cellen prestaties te degraderen met omgevingsparameters en smalle absorptieband in het zichtbare spectrum. Niettemin wordt nanoschaal antenne of absorber verkend door geavanceerde ontwerp- en fabricatietechnieken aan te nemen zoals omnidirectionele structuur plasmonische absorber met opvang-efficiëntie van ongeveer 38%, flexibele substraat nantenna elektromagnetische collector (NEC) toont 90% absorptie door optisch gedrag van materialen en fabricatiebeperkingen te overwinnen. Unieke optische en elektrische eigenschappen van nanoschaal structuren onthullen een verscheidenheid aan absorptiepercentages met dynamische materiaalkenmerken. Hoewel de meeste gerapporteerde gesofisticeerde structuren nog steeds uitdagend zijn om toe te passen in zonne-energie-opvang, worden sommige metamateriaal absorbers gebruikt voor beoogde toepassing op experimentele basis. Met de antenne de inval EM-golf omzetten in een AC-signaal, kan de diode dit gelijkrichten tot bruikbare DC-spanning. Meer dan 90% conversie-efficiëntie kan verkregen worden in radiofrequenties. Echter, het is enorm moeilijk om de rectenna uit te breiden naar het optische regime vanwege het gecompliceerde proces en de veel te trage reactie van de diode-gebaseerde gelijkrichting. Een zelden opgemerkt werk over directe fotoelektrische conversie zonder diode, bekend als dynamisch Hall-effect (DHE), werd gerapporteerd door H. Barlow in 1954. Het werd voorgesteld om DC-spanning te produceren via de gezamenlijke actie van dynamische elektrische en magnetische velden van de schuin invalende straling. Dit effect wordt theoretisch getoond door alle geleidende materialen en is toepasbaar op het hele EM-spectrum van microgolf tot zichtbare frequenties met een snelle reactie. Dus, een potentiël veld van zonne-energie-opvang systeem efficiëntieverbetering met metamateriaal nog te verkennen, analyseren, en alle beschikbare technieken te herinzetten om typische zonnecel-efficiëntie op toepassingsniveau te versnellen.

In dit papier plaatsen we een SHPA metamateriaal absorber op tri-nanolaag materiaal met DNG kenmerken voor, gesimuleerd op zowel zichtbaar en UV regime voor zonne-energie-opvang. Finitie-differentie tijd-domein (FDTD) analytische methode gevolgd voor structuurvorming, analyse, en commercieel beschikbare CST Microwave Studio (MWS) 2017 gebruikt voor simulatie. Daarom standaard randvoorwaarden toegepast voor golfvoortplantingsanalyse alsmede TE, TM vlakke polarisatie ook gemodelleerd voor wijdhoekabsorptie. Voor structuur geoptimaliseerde nano-bereik metamateriaal absorber, genetische algoritmes (GAs) met succes toegepast in veel verschillende ontwerpen om positief resultaat te verkrijgen. Dus de voorgestelde absorber adopteerde een vergelijkbaar algoritme om negatieve-index materiaal (NIM) kenmerken te extraheren. Figuur 1c illustreert GA-geoptimaliseerde eenheidscel ontwerpdomein waar nano split Hexa vorm en verdeeld 10 × 7 rooster. Binnen het rooster, een onderverdeeld 3 × 3 rooster stelt hexagonale vorm voor. Het werkelijke mechanisme is interpolatie van data om de verbeterde absorptie te verkrijgen door geometrische dimensie te variëren terwijl de nanostruktuurvorm behouden blijft. Het doel van deze GA is om SHPA metamateriaal voor zichtbare frequentie met maximaal mogelijke NIM kenmerken te extraheren. Verspreidingsparameter geëvalueerd tijdens simulatie voortgezet naar MATLAB programma om karakteristieken en relevante eigenschapsanalyse te extraheren. Numeriek onderzoek toont meer dan 95% absorptie in beide frequentie regimes met significante linkshandige metamateriaal kenmerken. Dus, voorgestelde SHPA met verdere gefabriceerde validatie kan het potentieel toepassingsveld bewijzen zoals zonne-energie-opvang, fotonaccumulatieproces voor een zonnecel, of fotonische versterking.

Computationeel ontwerp en methodologie

SHPA metamateriaal absorber werd gemodelleerd als een dubbele-laag substraat, Galliumarsenide (GaAs), en Nikkel (optisch), en patch laag ontworpen op Goud (Au). Een 80-nm-dikke GaAs met verliesbehaftete permitiviteit van 12,94 en 100-nm-dikke Ni (Fig. 1a). Tabel 1 toont de detaildimensie van de eenheidscel structuur. De dikte van de SHPA patch is 90 nm, en Au film is verwaarloosbaar voor een gelokaliseerd magnetisch veld, isotrope geleidbaarheid van 4,1 × 10⁷ S/m. Volgens 'anisotrope Drude geleidbaarheid tensor', alleen de Z-component van het lokale magnetische veld overwogen. Omdat een orthogonale component van de andere twee assen veel zwakker is dan de Z-component. Tijdens simulatie periodieke randvoorwaarde in X en Y richting PEC (perfecte elektrische geleider) en PMC (perfecte magnetische geleider) respectievelijk op de boven- en onderlaag (Fig. 1b). Anisotrope geleidbaarheid op eenheidscellen gewaarborgd door een gelokaliseerd magnetisch veld te incorporeren. De S-parameters van SHPA werden gesimuleerd, variërend van 430 THz tot 1000 THz met stapgrootte 100 THz. De reflectie (R), transmissie (T), en absorptie (A) bereik verkregen door A = 1 - T - R waar |S₁₁|² = R en |S₂₁|² = T. Vlakke-golf van elektrisch veld gedefinieerd door E = E_xCos(ωt + kz) voortplantend naar de Z-as waar E_x de amplitude van het elektrisch veld is, ω de hoekfrequentie, t de tijd, en k het golgetal.

Geometrische structuurontwikkeling voor metamateriaal voorgesteld door Pendry breed toepasbaar voor microgolfbereik maar THz regime, d.w.z. zichtbare en optische frequentie toont grote nadelen in negatieve permeabiliteit en parallelle voortplanting meervoudige substraat. Dus, een alternatieve ontwerpbenadering metaal-dielektrik-metaal illustreert goede respons als een resonante magnetische dipool voor normale voortplanting naar de structuur wat negatieve permeabiliteit demonstreert en vereenvoudigde laagstructuur is relatief makkelijk te fabriceren in nanoschaal. Bovendien vereist het ontwerpen van metamateriaal absorber met DNG eigenschappen in drie dimensies diverse kenmerken op de structuur zoals achterwaartse voortplanting, omgekeerde Doppler-effect, evanescent golfversterking, etc. Hoewel theoretische analyse en mogelijkheden met betrekking tot het zichtbare frequentiespectrum al door experts beschreven zijn. Dus, de dunne-film nanostructuur DNG kenmerken-gebaseerde MA is bezig met negatieve ε en μ en wordt gemeenschappelijk ingezet als een periodieke dunne metaal array. Dunne metaal patch array verdunt vrij-elektron plasma beschreven door 'Drude' model maar aangezien we de bovenlaag als verliesbehaftet beschouwen...

Resultaten, analyse, en discussie

Eenheidscel vermogen en diëlektrische eigenschappen

Volgens de foto-kwantum methode, vereist een bepaalde hoeveelheid vermogen aan de randvoorwaarde van de eenheidscel, met name in de voortplantingsrichting, polarisatiehoek, E-veld en H-veld stroomverloop, etc. Laten we de vermogen analyseren wat vereist is om te voortplanten in een multi-kristallijne richting. Vergelijkingen (2) en (3) zijn gebaseerd op een complexe Poynting vector theoreem geïnspireerd door. Het feit is dat de vermogen ontvangen door de eenheidscel zonlicht zou zijn, wat omnidirectioneel is, en vermogenstroom met de absorber moet in een richting gaan om de efficiëntie te verbeteren. Dus is de vermogen van de voortplantende golf gewoon evenredig met het reële deel van de vector gerelateerd aan de tijd-gemiddelde parameter. Gestimuleerde vermogen aan een of beide poorten zal voortplanten door de eenheidscel. De rest van de energie zal vertrekken door alle poorten (uitgaande vermogen). Geaccepteerde vermogen in de eenheidscel wordt geconverteerd in verliezen zoals diëlektrische materiaaleigenschappen, patches, of gelumpte elementen overwogen voor SHPA nano-armen. Overwegend het reële deel van complexe gemiddelde vermogen in Z-richting...

Veld-effect analyse

EM aard van licht is een transversale elektromagnetische golf in de zichtbare regio's. Het licht komend van de zon is verdeeld in drie spectra: infrarood, zichtbaar, en ultraviolett (UV). Spectrale energieverdeling van zonnestraling heeft maximale intensiteit 1,5 eV in zichtbaar bereik vergelijkbaar met de meeste halfgeleider materialen terwijl de twee andere spectra warmte produceren als geabsorbeerd. Dus, overwegend typische zichtbaar licht EM voortplanting en randvoorwaarden gesteld in Fig. 1b, het electrisch veld (E-veld) en magnetisch veld (H-veld) numerieke prestaties getoond in Fig. 4. Hoewel resonantiefrequentie 445 THz kenmerken aanwezig in de figuur maar hele bandbreedte 430~650 THz hebben een vergelijkbare verdeling van het veld. Nu, vector golfvergelijkingen zoals genoemd in...

Conclusies

In dit papier is een gesplitste hexagonale metamateriaal absorber voorgesteld met Au zes nano-armen gebaseerd op GaAs en Ni substraat voor zonne-energie-opvang toepassingen. Foto-kwantum analyse en vermogenstroomverdeling wiskundig tonen aan dat de voorgestelde eenheidscel significante fotonconversie mogelijkheid heeft voor fotovoltaïsche of zonnecel toepassingen. De prestaties van de voorgestelde eenheidscel SHPA werden geanalyseerd op basis van diëlektrische eigenschappen, transmissielijnprestaties, veld- en vermogensverdeling, absorptie in termen van parametrische studie. Alle data werden geëxtraheerd uit S-parameter door CST MWS simulatie, wat toont dat DNG kenmerken bestaan met ultrawijdeband EM absorptie (meer dan 95%) zowel in het zichtbare en UV spectrum van licht. Geoptimaliseerde Hexa patch eenheid is een 10 nm splitsing en hoogte van 90 nm voor gestelde absorptie. Experimentele validatie van de voorgestelde absorber zal verder voortgezet worden om een gewenste kandidaat te zijn in THz bereik energie-opvang toepassingen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.

Afkortingen

CDN:

Klassieke dipool nano-antenne

DRI:

Directe brekingsindex

DNG:

Dubbel negatief

EM:

Elektromagnetisch

FDTD:

Finitie-differentie tijd-domein

GA:

Genetisch algoritme

PV:

Fotovoltaïsch

SHPA:

Gesplitste hexagonale patch array

UV:

Ultraviolett