태양 에너지는 오염 없이 에너지를 쉽게 소거할 수 있는 주변 소스 중 하나입니다. 에너지를 회수하기 위해 태양 전지에 의한 의도적인 제거는 더 많은 전기를 생산하기 위해 전자 흐름에 에너지 흡수를 촉진하는 최첨단 기술이 필요합니다. 태양 전지의 구조는 대부분 협각 허용 오차와 편광 감도에서만 효율적으로 흡수 할 수 있지만 흡수 효율을 향상시키기 위해 연구되었습니다. 따라서 효과적인 태양 에너지 수확을 위해 필요한 최소한의 편광 감도 흡수 장치로 광대역 흡수에 대한 수요가 많습니다. 이 논문에서 우리는 태양 스펙트럼 에너지 수확을 위해 낮은 편광 감도와 넓은 흡수 대역을 제공할 DNG(Double-negative) 특성을 가진 새로운 SHPA(Split Hexagonal Patch Array) 모양 메타물질 흡수체를 제안했습니다. 제안된 새로운 SHPA 모양은 화살촉 대칭이 있는 단일 수직 분할이 있는 6개의 나노 암으로 구성됩니다. 이 암은 전자기(EM) 공진을 조정하여 절대 음의 유전율과 투자율을 획득하여 DNG 속성을 보장합니다. 이 DNG 메타물질 특성은 최대 광자 흡수를 위한 광변환 양자 방법을 기반으로 분석되었습니다. 제안된 구조의 대칭적인 특성은 흡수체가 편광 둔감성과 넓은 입사각 흡수 능력을 나타낼 수 있도록 합니다. 시뮬레이션된 SHPA는 95% 이상의 가시광선 및 자외선(UV) 스펙트럼 전자파 흡수 능력을 보여줍니다. 양자 방법은 흡수체의 변환 효율에서 이점을 제공하며 제안된 SHPA 구조의 수치 해석은 태양 전지 또는 광자 응용을 통한 THz 영역 에너지 수확을 위한 흡광도 품질을 제공합니다.
재료 공학은 고대부터 인류 발전의 역사에 기여해 왔으며 '메타 물질'은 곧 중요한 조향 혁신 중 하나가 될 것입니다. 물질의 장르적 변화를 나타내는 '메타'는 음의 유전율과 투자율과 같은 고유한 유전 특성을 보이며 제작이 용이하다[1]. 메타물질의 다른 응용 가능성[2, 3]은 전 세계의 여러 연구자들이 각자의 연구 분야에서 벤치마크 혁신을 수행하는 데 더 많은 호기심을 갖게 합니다. 가시 주파수 범위의 광자 에너지 변환 및 이를 에너지 수확, 특히 태양 전지 기반 에너지 연구에 통합하는 것은 메타물질 흡수체에서 유망한 영역 중 하나입니다[4,5,6]. 가시 스펙트럼 또는 UV 범위의 광파는 심각한 문제와 풍부한 에너지 없이 항상 우리를 둘러싸고 있습니다. 기존의 모든 활용 기술 중 태양광(PV) 기술은 현장 응용에 널리 적용되고 있으며, 최근 몇 년 동안 미래의 그린 에너지 과제에서 균형을 맞추기 위해 성능을 향상시키는 최첨단 방식이 제안되었습니다. . 예를 들어, 효율 향상을 위한 단결정, 다결정 및 다결정 셀, 금속 할로겐화물 페로브스카이트를 사용한 PV 개발, 전력 변환 효율 향상을 위한 유기 및 양자점 PV, 전력 출력에 영향을 미치는 PV 관련 재료의 광전자 품질 [7] 등 켜짐. 또한 고품질 PV 페로브스카이트 층의 순차 증착[8], 코팅 및 인쇄된 PV 페로브스카이트[9], 광자 재활용[10] 또는 최대 전력점에서의 중심 유추에 기반한 알고리즘[11] 등과 같은 재료 제조 방법이 있습니다. 태양전지의 효율을 높이는 데 중점을 두고 있습니다.
이 외에도 안테나와 정류기(다이오드)를 결합한 '렉테나(rectenna)'를 활용한 태양에너지 하베스팅의 잠재적인 분야도 탐색해 일반적인 태양전지의 효율을 높이고 있다. Rectenna는 마이크로파 에너지를 전기로 변환하는 데 매우 효율적이기 때문에 주로 마이크로파 기반 전력 전송에 대해 연구되었습니다. 예를 들어, 나노기술을 사용하여 특허를 받은 프로토타입[12]은 빛을 효율을 높이고 현재 기존의 태양 전지와 호환되는 전기로 변환하는 데 중점을 두고 있습니다. 실험 절차에 따르면 PV 모듈 아래에 배치된 렉테나는 380~480W/m 2 출력을 제공했습니다. 결합된 모듈의 경우 10–20%에서 38–40%로 증가했습니다. 나노 제조 기술의 제약으로 인해 대부분의 프로토타입은 가시 스펙트럼이 아닌 원적외선 범위에서 작동합니다. 나노기술 개발이 이 접근 방식을 더욱 촉진할 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 따라서 최근 기사에서는 다중 포트 투명 안테나[13]에 의한 RF-태양 에너지의 하이브리드화와 같이 태양 에너지를 수확하기 위한 다양한 전략을 채택하여 53.2%의 RF-DC 변환 효율로 72.4%의 효율을 달성했습니다. E-빔 리소그래피에 의해 제작된 진화적 쌍극자 나노안테나(EDN)[14] 효율이 기존의 쌍극자 나노안테나(CDN)에 비해 30%에서 40%로 증가된 수확을 위한 효율 최적화 전용입니다. SiO2와 통합된 금속-절연체-금속(MIM) 터널[15]은 90% 이상의 변환 효율을 보여주고, Zhang과 Yi[16]는 나비 넥타이 모양의 나노 렉테나를 사용하여 유사한 접근 방식을 제안하여 73.38%의 변환 효율을 주장했습니다. 마찬가지로, 쇼트키 다이오드 기반 'Fabry-Perot(FP)' 공진기가 내장된 메타물질에서 영감을 받은 렉테나[17]는 높은 Q 팩터와 16배의 성능 향상을 보였고, 메타물질에서 영감을 얻어 준고전적 모델로 개발된 광학 렉테나는 고효율, 저가형 태양전지[18]. 뿐만 아니라, 흡수의 이중 기능을 가진 전환 가능한 메타물질[19], 바나듐 이산화물 기반의 얇은 메타표면, 가변 감지를 위한 게르마늄 영감 메타표면[20]과 같은 메타물질 특성의 여러 변형이 탐구되었습니다. 기존의 에너지 수확 개념과는 별도로 대부분의 메타물질 흡수체 또는 안테나는 가시 스펙트럼보다는 RF 에너지 수확을 위해 개발되었습니다. 이 기사[21, 22]에서 에너지 수확은 태양 전지에 기여할 수 없습니다.
THz 범위의 렉테나 또는 메타물질 흡수체에 대한 최근 연구는 임피던스 매칭, 단위 셀과 PV 셀 간의 통합, 단위 셀에서 PV 단위로 변환된 에너지 공급, 광자 변환 효율과 같은 몇 가지 제약으로 인해 아직 실험실 실험 또는 분석 중인 나노 렉테나에 영감을 주었습니다. , 운송 손실 등. 또한 PV 전지는 가시 스펙트럼에서 환경 매개변수 및 좁은 흡수 대역으로 성능을 저하시킬 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 나노크기 안테나 또는 흡수체는 수확 효율이 약 38%인 무지향성 구조 플라즈몬 흡수체[23]와 같은 고급 설계 및 제조 기술을 채택하여 탐색되고 있으며, 유연한 기판 안테나 전자기 수집기(NEC)[24]는 광학적 특성을 극복하여 90% 흡수를 나타냅니다. 재료의 거동 및 제조 제약. 나노 규모 구조의 고유한 광학 및 전기적 특성[25,26,27,28,29]은 동적 재료 특성과 함께 다양한 범위의 흡수 백분율을 나타냅니다. 보고된 대부분의 정교한 구조는 아직 실험 기반으로 의도된 적용에 사용되는 일부 메타물질 흡수체를 소거하는 태양 에너지에 적용하기 어렵습니다[30, 31]. 안테나가 입사 EM파를 AC 신호로 변환하면 다이오드가 이를 사용 가능한 DC 전압으로 정류할 수 있습니다. 90% 이상의 변환 효율을 무선 주파수에서 얻을 수 있습니다. 그러나 복잡한 프로세스와 다이오드 기반 정류의 너무 느린 응답으로 인해 렉테나를 광학 영역으로 확장하는 것은 매우 어렵습니다. 동적 홀 효과(DHE)로 알려진 다이오드 없이 직접 광전 변환에 대한 거의 주목되지 않은 작업이 H. Barlow에 의해 1954년에 보고되었습니다. 비스듬한 전기장의 동적 전기장과 자기장의 결합 작용을 통해 DC 전압을 생성하는 것이 제안되었습니다. 입사 방사선. 이 효과는 이론적으로 모든 전도성 물질에 의해 나타나며 빠른 응답으로 마이크로파에서 가시 주파수까지 전체 EM 스펙트럼에 적용할 수 있습니다[32]. 따라서 메타물질을 사용한 태양 에너지 수확 시스템 효율성 향상의 잠재적인 분야는 아직 응용 수준에서 일반적인 태양 전지 효율성을 촉진하기 위해 사용 가능한 모든 기술을 탐색, 분석 및 재배포하지 않았습니다.
이 논문에서 우리는 태양 에너지 수확을 위해 가시광선과 UV 영역 모두에서 시뮬레이션된 DNG 특성을 가진 삼중 나노층 물질의 SHPA 메타물질 흡수체를 제시했습니다. FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 분석 방법은 구조 형성, 분석 및 시뮬레이션에 사용되는 상용 CST Microwave Studio(MWS) 2017을 따릅니다. 따라서 파동 전파 분석에 적용되는 표준 경계 조건과 TE, TM 평면 편광도 광각 흡수에 대해 모델링되었습니다. 구조에 최적화된 나노 범위 메타물질 흡수체의 경우 유전 알고리즘(GA)이 다양한 디자인에 성공적으로 적용되어 긍정적인 결과를 얻었습니다[33, 34]. 따라서 제안된 흡수체는 음의 지수 재료(NIM) 특성을 찾기 위해 유사한 알고리즘[33]을 채택했습니다. 그림 1c는 나노 분할 헥사 모양과 분할된 10 × 7 그리드가 있는 GA 최적화된 단위 셀 설계 영역을 보여줍니다. 격자 내부에서 세분화된 3 × 3 격자는 육각형 모양을 나타냅니다. 실제 메커니즘은 나노구조 형태를 유지하면서 기하학적 차원을 변화시키는 개선된 흡수를 얻기 위해 데이터를 보간하는 것입니다. 이 GA의 목표는 가능한 최대 NIM 특성으로 가시 주파수에 대한 SHPA 메타물질을 추출하는 것입니다. 특성화 및 관련 속성 분석을 추출하기 위해 MATLAB 프로그램으로 진행되는 시뮬레이션 중에 평가된 산란 매개변수. 수치적 조사에 따르면 두 주파수 영역 모두에서 95% 이상의 흡수율이 나타나며 상당한 왼손잡이 메타물질 특성이 있습니다. 따라서 추가로 검증된 제안된 SHPA는 태양 에너지 수확, 태양 전지의 광자 축적 프로세스 또는 광자 증폭과 같은 잠재적 응용 분야를 증명할 수 있습니다.
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SHPA 나노 메타 흡수제. 아 물리적 차원. ㄴ 시뮬레이션 설정. ㄷ GA 최적화 인코딩 일러스트레이션
SHPA 메타물질 흡수체는 이중층 기판, 갈륨 비소(GaAs) 및 니켈(광학) 및 금(Au)에 설계된 패치층으로 모델링되었습니다. 12.94의 손실 유전율과 100nm 두께의 Ni를 갖는 80nm 두께의 GaAs(그림 1a). 표 1은 단위 셀 구조의 상세 치수를 나타낸다. SHPA 패치의 두께는 90nm이고 Au 필름은 국부 자기장에 무시할 수 있는 수준이며 등방성 전도도는 4.1 × 10 7 입니다. S/m [35]. '이방성 Drude 전도도 텐서'[36]에 따르면 국부 자기장의 Z 성분만 고려됩니다. 다른 두 축의 직교 구성 요소는 Z 구성 요소보다 훨씬 약하기 때문입니다. 시뮬레이션하는 동안 X 및 Y 방향의 주기적인 경계 조건은 상단 및 하단 레이어에 각각 PEC(완전 전기 도체) 및 PMC(완전 자기 도체)를 적용합니다(그림 1b). 단위 셀의 이방성 전도도는 국부적인 자기장을 통합하여 보장되었습니다. SHPA의 S-파라미터는 100THz의 단계 크기로 430THz에서 1000THz 범위에서 시뮬레이션되었습니다. 반사(R), 투과(T), 흡수(A) 범위 A =1-T-R 여기서 |S 11 | 2 =R 및 |S 21 | 2 =T. E로 정의되는 전기장의 평면파 =E x Cos(ωt + kz ) E인 Z축 방향으로 전파 x 는 전기장의 진폭, ω는 각주파수, t 시간이고 k 파수입니다.
Pendry[37]가 제안한 메타물질의 기하학적 구조 개발은 마이크로파 범위에 널리 적용되지만 THz 영역, 즉 가시광선 및 광학 주파수는 음의 투자율과 평행 전파 다층 기판에서 큰 단점을 보입니다. 따라서 대안적인 설계 접근 방식[38] 금속-유전체-금속은 음의 투자율을 나타내는 구조에 대한 수직 전파를 위한 공진 자기 쌍극자로서 양호한 응답을 보여주고 단순화된 층 구조는 나노스케일에서 비교적 쉽게 제조할 수 있습니다. 또한, 3차원에서 DNG 특성을 갖는 메타물질 흡수체를 설계하려면 역전파, 역도플러 효과, 소멸파 증폭 등과 같은 구조에 대한 여러 특성이 필요합니다. 가시 주파수 스펙트럼에 대한 이론적 분석 및 기능은 이미 전문가에 의해 설명되었지만 [39 ,40,41]. 따라서 박막 나노구조 DNG 특성 기반 MA는 음의 ε 그리고 μ 주기적인 얇은 금속 배열로 일반적으로 사용됩니다. 얇은 금속 패치 어레이는 'Drude' 모델로 설명된 자유 전자 플라즈마를 희석하지만 상위 레이어는 손실이 있는 것으로 간주하므로
$$ \varepsilon ={\varepsilon}_0{\varepsilon}_r\left(1-\frac{{\omega_p}^2}{\omega^2}\right)\;\mathrm{and}\;\mu ={\mu}_0{\mu}_r\left(1-\frac{M_m^2}{\omega^2-{\omega}_m^2+ j\omega {\gamma}_m}\right) $ $ (1)여기서 ω p 감소된 플라즈마 주파수는 얇은 층의 기하학적 치수에 따라 달라집니다. ω m 자기 공명 주파수, γ m 손실, M m 자기 공명의 강도를 결정합니다.
광양자법에 따르면 단위 셀의 경계 조건, 특히 전파 방향, 편광 각도, E-field 및 H-field 전류 흐름 등에 일정량의 전력이 필요합니다. 따라서 분석해 보겠습니다. 다결정 방향으로 전파하는 데 필요한 전력[42]. 방정식 (2)와 (3)은 [42, 43]에서 영감을 받은 복잡한 Poynting 벡터 정리를 기반으로 합니다. 사실 단위셀이 받는 전력은 전방향성인 태양광일 것이고, 흡수체를 이용한 전력의 흐름은 효율을 높이는 방향으로 흘러야 한다. 따라서 전파하는 파동의 전력은 시간 평균 매개변수와 관련된 벡터의 실수 부분에 비례합니다. 하나 또는 두 포트의 자극된 전력은 단위 셀을 통해 전파됩니다. 나머지 에너지는 모든 포트(나가는 전력)를 통해 나갑니다. 단위 셀에서 허용되는 전력은 유전 물질 속성, 패치 또는 SHPA 나노 암에 대해 고려되는 집중 요소와 같은 손실로 변환됩니다. Z에서 복소수 평균 검정력의 실수 부분 고려 -방향
$$ {P}_{c\left(\mathrm{avg}.\right)}=\operatorname{Re}\left\{\frac{1}{2}\underset{A}{\int}\overrightarrow {E}\times \overrightarrow{H}.\mathrm{zdz}\right\} $$ (2)이는 (Z-ve에도 유효합니다. 방향) 특정 포트에서 에너지의 순 흐름을 설명합니다. 식의 ½ 인수 (2)는 시계 방향 필드의 시간 평균화와 관련이 있습니다. 전력의 허수부는 전파되지 않는 무효 에너지 또는 저장된 에너지로 인해 무시될 수 있으며 전송 전력을 계산할 수 있습니다(PT ) X에 따른 평균 시간 전력 관찰 및 Y 각각 축-
$$ {P}_{T\left(\mathrm{avg}.\right)}=\frac{\operatorname{Re}\frac{1}{2}\underset{A}{\int }{P} _y.\mathrm{dy}}{\operatorname{Re}\frac{1}{2}\underset{A}{\int }{P}_x.\mathrm{dx}} $$ (3)유사하게, 수용 및 발신 전력은 [43]의 방정식을 사용하여 계산되었고, 시뮬레이션 동안 관찰된 단위 셀(그림 2b)을 통한 전력 및 단위 셀을 통한 전력(그림 2a)과 관련 전력(그림 2a) 및 전력이 그림 2에 표시되었습니다. 전체 스펙트럼에서 자극 전력은 0.5와트로 제한되며 두 포트 모두에서 허용 및 발신 전력은 그 반대의 전력 분배를 갖습니다. 그러나 3D 전력 흐름은 작동 주파수 범위와 비균질 재료 침투 상태에 따른 쌍극자 모멘트 관성으로 인해 비정상적인 특성을 보입니다. 430THz부터 시작하여 초기의 THz 동작은 분극 효과가 있고 715THz 이후부터는 꾸준히 적절한 쌍극자 효과를 나타내어 1000THz까지 계속되기 때문에 쌍극자 모멘트의 대부분이 조직화되지 않는다. 또한 Ni의 강자성 특성뿐만 아니라 GaAs 재료의 반도체 특성도
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SHPA metaabsorber의 전력 분배(a ) 2D 분포(b ) 단위 셀을 통한 3D 전력 흐름
하지만 다행히도 그렇게 지배적이지는 않습니다. 유전 특성(ε , μ , η ) 메타 물질 특성을 평가하기 위한 수치 조사를 위해 S-파라미터에서 추출했습니다. 세 가지 다른 재료를 가진 단위 셀 흡수체는 EM 파 전파에서 분리된 특성을 갖지만 상단 패치에 캐스케이드된 커패시턴스와 인덕턴스가 있는 이 독특한 구조적 치수는 개별 재료 유전 특성의 기존 특성을 수정하고 고유한 특성을 나타냅니다. 이제 투과 계수(S21 ) 및 반사 계수(S11 )가 중요한 매개변수였습니다.
그림 3은 제안된 SHPA 나노메타흡수체의 모든 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 그림 3a,b S11의 크기 및 S21 실수 부분과 허수 부분 모두에서 거의 일관된 크기를 갖습니다. 적외선 범위 응답은 구조의 피부 깊이(δ) 효과로 인해 연속적으로 3개의 작은 공명점이 있지만 다행히도 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 얻는 데 긍정적인 역할을 합니다. 그림 3c,d,e는 각각 이러한 속성의 실제 값과 허수 값을 보여주고 제안된 SHPA에서 메타물질의 존재를 보장합니다. 또한, 태양 에너지 하베스팅의 적용 관점으로 인해 강렬한 열 전자기 소멸장[45]을 고려해야 합니다. [45, 46]에서 실험적으로 언급한 근거리 복사에서는 두 개의 연속적인 재료 열전도가 점차 증가합니다. 또한 표면 극성은 소산파를 지배하며 'Drude 모델'에 따르면 단위 셀 내부의 파동 편광에 의해 결정되는 복잡한 유전율 및 투자율입니다. 그림 3 c,d,e는 유전율 및 투자율의 낮은 파장 작동이 이 소멸파에 의해 영향을 받는 유전 특성을 나타냅니다. 따라서 제안된 단위 셀의 부정적인 특성이 눈에 잘 띄고 우수한 EM 흡수를 보장합니다. 그림 4에서 SHPA 나노흡수체의 전송선로 특성과 VSWR(전압정재파비)은 반사량을 명확히 보여주고 있다
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SHPA 메타물질 특성. 아 S11 응답. ㄴ S21 응답. ㄷ 유전율. d 침투성. 이 가시광선 및 적외선 스펙트럼에 대한 굴절률
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스미스 차트는 정규화된 임피던스에서 스펙트럼에 대한 단위 셀 SHPA의 VSWR을 보여줍니다.
전송 라인 성능. 430THz 임피던스에서 VSWR은 높았고, 라인의 반파장은 소스에서 부하 측으로 좋은 매칭을 갖지 않습니다. 따라서 EM 신호 흡수량도 낮은 주파수에서 낮지만 점차적으로 임피던스가 최대한 일치하려고(정규화된 것과) 결과적으로 적외선 스펙트럼(1000THz)에서 90% 이상의 흡수를 얻습니다. 단위 셀은 방사 요소가 아닌 흡수 요소를 나타냅니다. 따라서 부하 측의 VSWR은 더 높은 값을 갖지 않습니다.
빛의 EM 성질은 가시 영역에서 횡방향 전자기파입니다. 태양에서 오는 빛은 적외선, 가시광선, 자외선(UV)의 세 가지 스펙트럼으로 나뉩니다. 태양광의 스펙트럼 에너지 분포는 대부분의 반도체 재료와 유사한 가시 범위에서 최대 강도 1.5eV를 가지며 다른 두 스펙트럼은 흡수되면 열을 생성합니다. 따라서 그림 1b에 나와 있는 일반적인 가시광선 EM 전파와 경계조건을 고려하여 그림 4에 전기장(E-field)과 자기장(H-field) 수치적 성능을 나타내었다. 그림이지만 전체 대역폭 430~650THz는 필드 분포가 비슷합니다. 이제 [47]에서 언급한 벡터 파동 방정식
$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{\nabla}^2{E}_m-{\gamma}^2{E}_m=0\\ {}{\nabla}^2{H}_m -{\gamma}^2{H}_m=0\end{array}}\Big\} $$ (4)여기서 1차원 벡터 미분 연산자∇는 EM 파 전파 동안 위상 변화에 따라 약간 변하며, 전기장 및 자기장 성분은 E입니다. m 그리고 H m 각각 전파 상수 \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \)는 파동의 감쇠 및 위상 편차와 관련된 복소수입니다. 가시광선 파동은 파동과 입자 특성을 모두 가지고 있기 때문에 단위 셀 물질을 통한 파동 전파는 E-field 및 H-field 특성 측면에서 변화를 나타냅니다. 또한, γ 동작 주파수가 점차 증가함에 따라 유전 특성과 비선형 관계를 갖습니다. 그림 5는 SHPA의 중요한 E-장 구성 요소에 대한 각 나노 분할을 보여줍니다(2.31 × 10 6 V/m in log scale)은 공진 550THz에서 존재합니다. 시뮬레이션된 주파수 영역(가시광선 및 UV)에 걸쳐 있지만 이 강한 E-필드는 진폭에서 약간의 변화로 관찰되었습니다. 수평 및 수직 패치 바(4개의 분할 포함)도 진폭 변화(2.08 × 10 5 )가 있는 필드 구성 요소에 기여합니다. ~2.31 × 10 6 V/m 로그 스케일). 1.37 × 10 −17 의 커패시턴스 및 인덕턴스 값이 주어진 SHPA 단위 셀(2단계 캐스케이드)의 과도 분석 중 nF 및 3.87 × 10 −14 nH는 공진 주파수 필드 작동을 가속화합니다. H-필드(그림 5b)는 Z-방향을 따라 EM 전파로부터 유사한 효과를 가지며, 불균일한 매체 침투 동안 Eq. (5) Z의 함수가 됩니다. 투자율 상수입니다. 그런 다음 해당 파동 방정식은 "Ricatti 미분 방정식"으로 축소됩니다[48]
$$ \frac{d\psi (z)}{dz}+{\psi}^2(z)=-{k}^2{m}^2(z) $$ (5) <그림><출처 type="image/webp" srcset="//media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3231-4/MediaObjects/11671_2019_3231_Fig5_HTML.png"as?>
공진 550THz에서 SHPA에 대한 전계 효과. 아 전자 필드. ㄴ H 필드
여기서 k 파수이고 m(z) 복소굴절률이다. 또한, 파동의 위상 지연은 자유 공간과 매질에서 위상 속도의 비율에 따라 증가하며, 이는 제안된 단위 셀 SHPA의 또 다른 중요한 기여로 반사율을 낮추고 파동에서 더 많은 에너지를 흡수합니다.
표면을 통한 편광파는 전파 중에 에너지를 잃기 때문에 태양 에너지 수확을 위한 단위 셀 타당성을 설명하기 위해 제안된 단위 셀 SHPA에서 연구된 광파의 편광. Hamiltonian 공식[49]은 전이 쌍극자 매트릭스 요소가 GaAs 물질에 대한 파동의 다른 입사각에서 TE 및 TM 편광에 대해 변한다고 언급했습니다. TE 및 TM 모드 모두에 대한 편광 각도는 40°의 단계 크기를 증가시키고(그림 6), 전기장 편광 각도는 자기장 방향에 비해 놀랍게도 지배적인 효과를 갖습니다. TE 모드 동안, Ni-GaAs 기판 조합의 주어진 차이에 대해 더 낮은 범위인 약 430–650 THz(690 nm ~ 460 nm)[50]에서 코어와 클래딩 레이어 간의 차이가 굴절률을 증가시켜 굴절률을 증가시킵니다. 가시 파장이 밴드갭에 접근할 때. 따라서 해당 스펙트럼에서 관찰된 흡수량의 변동(그림 6a)인 반면 TM 편광은 0°에서 120°까지의 편광 각도 변화에도 불구하고 유사한 유형 변동을 보여줍니다. TM 모드에서 위상 불일치는 일반적으로 더 긴 파장에 대해 커집니다. 또한, 육각형 모양은 패치의 분할 간격 및 높이 변화 시 흡수에 큰 영향을 미칩니다. 분할 갭 패치에 의해 형성되는 커패시턴스는 변화하는 반면 패치의 위치에 따른 인접 커패시턴스는 서 있다. 그림 6c는 5nm에서 25nm로 스플릿 갭을 변경하고 스플릿 갭을 낮추면 상당한 커패시턴스로 인해 우수한 흡수를 제공합니다. 갭 변화에도 불구하고 흡수는 5nm에서 거의 90% 이상으로 유지되고 분할 갭의 점진적인 증가는 초기 흡수가 약 430–500THz로 떨어지지만 시뮬레이션 중에 관찰된 전체 95% 흡수를 만듭니다. SHPA 높이(그림 6d)와 관련하여 패치 분할이 10nm로 유지됨에 따라 EM 신호 전파 영역은 수직 및 경사 입사 모두에 대해 집합적으로 증가하므로 분할 높이가 흡수와 함께 더 높은 값으로 최적화됩니다. SHPA 높이 또는 두께 60nm ~ 90nm의 경우 평균 흡수율이 85% ~ 88%이며, 이는 90nm에 최적화되었음을 직접 나타냅니다.
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흡수에 대한 편광 효과. 아 TE 편광. ㄴ TM 편광 및 SHPA 구조 효과. ㄷ 스플릿 갭 대 흡수. d 높이 대 흡수
그러나 SHPA의 조작된 프로토타입 및 측정 결과는 다음 연구 단계에서 수행될 시뮬레이션된 데이터를 지원합니다. 또한, 제안된 나노메타흡수체의 기여도를 이해하기 위한 비교 사진은 표 2와 같다. 표 2에서 보고된 논문[51]은 좋은 효율을 보여주지만 동작 주파수와 협대역 성능으로 인해 가시 주파수 동작을 따르지 못한다. 다른 기사[52, 53]는 태양 에너지 수확 애플리케이션에 대해 주장하지만 대역폭과 작동 범위로 인해 다른 기사에 비해 취약합니다.
이 논문에서는 태양 에너지 수확 응용을 위해 GaAs 및 Ni 기판을 기반으로 하는 Au 6 나노암을 사용하여 분할 육각형 메타물질 흡수체가 제안됩니다. 광양자 분석 및 전력 흐름 분포는 제안된 단위 셀이 광전지 또는 태양 전지 응용 분야에서 상당한 광자 변환 가능성을 가지고 있음을 수학적으로 보여줍니다. 제안된 단위셀 SHPA의 성능은 유전특성, 전송선로 성능, 계자 및 전력분포, 흡수율을 매개변수로 분석하였다. 모든 데이터는 CST MWS 시뮬레이션을 통해 S-파라미터에서 추출되었으며, 이는 DNG 특성이 가시광선 및 UV광 스펙트럼 모두에서 초광대역 EM 흡수(95% 이상)와 함께 존재함을 보여줍니다. 최적화된 Hexa 패치 장치는 명시된 흡수를 위해 10nm 분할 간격과 90nm 높이입니다. 제안된 흡수체의 실험적 검증은 THz 범위 에너지 수확 응용 분야에서 계속해서 바람직한 후보가 될 것입니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.
고전적인 쌍극자 나노안테나
직접 굴절률
이중 음수
전자기
유한 차분 시간 영역
유전자 알고리즘
태양광
분할 육각형 패치 배열
자외선
나노물질
초록 웨어러블 전자 장치의 인기가 높아짐에 따라 유연한 에너지 변환 시스템이 빠르게 개발되었습니다. 이론적인 에너지 밀도가 높은 플렉서블 징크-에어 배터리(ZAB)는 웨어러블 전자 제품에 적용할 수 있는 차세대 플렉서블 에너지 장치로서 상당한 잠재력을 보여줍니다. 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER) 모두를 전기화학적으로 촉매할 수 있는 고효율 및 공기 안정 음극의 설계는 매우 바람직하지만 도전적입니다. ORR/OER 촉매 작용을 위한 유연한 탄소 기반 촉매는 크게 두 가지 유형으로 분류될 수 있습니다. (ii) 가
태양광 PV 시스템의 설계 및 설치 오늘날 우리의 현대 사회는 산업 제조, 난방, 운송, 농업, 번개 응용 등과 같은 다양한 일상 응용 분야에 에너지를 필요로 합니다. 우리가 필요로 하는 대부분의 에너지는 일반적으로 다음으로 충족됩니다. 석탄, 원유, 천연가스 등 재생 불가능한 에너지원이지만 이러한 자원의 활용은 우리 환경에 막대한 영향을 미치고 있습니다. 또한 이러한 형태의 에너지 자원은 지구상에 균일하게 분포되어 있지 않습니다. 원유의 경우와 같이 매장량에서 생산 및 추출에 의존하기 때문에 시장 가격의 불확실성이 있습니다. 재
