초광대역 빛 트래핑용 반도체 나노안테나 보조 태양열 흡수기

결과 및 토론

그림 1b는 수직 입사에서 최적화된 흡수체의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다("Absorber"로 표시, 검은색 선). 비교를 위해 MSM 구조("MSM" 빨간색 선으로 표시)와 GaAs 나노안테나로만 코팅된 MSM 구조("ITO 층이 없는 구조", 파란색 선으로 표시)의 흡수 스펙트럼도 그림 1에 나와 있습니다. 1b. 단순 MSM 3층 필름 구조의 경우 흡수율이 70% 미만입니다. MSM 구조에 GaAs 나노안테나 주기 배열을 배치하면 657~2679 nm에서 흡수가 강화된 초광대역 흡수 대역이 달성됩니다. 이것은 GaAs 나노 안테나 어레이가 넓은 파장 범위에서 강한 흡수를 담당한다는 것을 나타냅니다. 991–1455 nm 및 2004–2388 nm 범위의 흡수 강도는 여전히 90% 미만입니다. 제안된 흡수체의 경우 도입된 80nm 두께의 ITO 나노 안테나 어레이는 흡수를 더욱 강화하고 흡수 대역을 확대합니다. A> 90%를 고려하면 가시광선, 근적외선 및 중적외선 영역(468–2870 nm)에 걸쳐 최대 2402 nm의 흡수 대역폭에서 초광대역 흡수 현상이 발견됩니다. 평균 흡수율은 최대 95.5%까지 증가합니다. 80nm 두께의 ITO 층이 반사 방지 역할을 하여 GaAs 나노 안테나의 반사 방지 효과를 더욱 강화할 수 있기 때문이다. 더욱이, 80nm 두께의 ITO 층은 낮은 시트 저항을 가능하게 하기에 충분히 높기 때문에 측면 금속 접촉부에 대한 수백 미크론 이상의 캐리어의 측면 수송 손실이 낮다[35]. 결과적으로, 귀금속-반도체 복합 시스템을 기반으로 한 흡수체보다 더 큰 흡수 대역폭과 흡수 효율이 크게 향상되었습니다[32,33,34,35,36,37]. 크게 확대된 흡수는 주로 GMR 및 캐비티 모드의 여기와 이들의 하이브리드 결합 효과에서 비롯됩니다[18].

전자기장 분포(|E | 그리고 |H |) 및 전류 밀도(J 다른 파장(즉, 594 nm, 1430 nm 및 2586 nm)에서 이 흡수체의 )을 조사합니다. 594 nm에서 전기장 에너지는 주로 나노안테나-공기 계면에 집중되고 강한 자기장 에너지는 GaAs 나노안테나와 ITO 층에 위치한다(그림 2a, b). 이는 GMR과 캐비티 모드가 여기되고 있음을 나타냅니다[18, 26]. GaAs 나노안테나의 전류(그림 2c)는 이러한 흡수 향상에 대한 GaAs 나노안테나의 효과를 확인시켜준다[48, 49]. 1430 nm에서 강한 전기장은 여기된 공동 모드를 의미하는 나노 안테나(그림 2d) 근처의 공기 슬롯에 주로 존재합니다[18, 26]. 그림 2e에서 자기장 에너지는 GaAs 나노안테나-Ti 필름 계면에 위치하며, 여기된 GMR과 캐비티 모드가 모두 구조에 결합된 빛에 기여하고 GaAs 필름-Ti의 계면 근처에서 SPP를 추가로 여기시킨다는 것을 나타냅니다. 영화 [9, 18, 20, 39]. 그림 2f에 표시된 Ti 필름에 분포된 전류는 입사광이 구조에 완전히 결합되었다는 강력한 증거를 제공합니다. 2586 nm에서 전자기 에너지는 주로 나노안테나 사이의 슬롯과 GaAs 나노안테나-Ti 필름과 GaAs 필름-W 필름의 계면에 위치하며(그림 2g, h), 전류는 주로 나노안테나의 상단 표면에 분포합니다. W 필름(그림 2i). 이것은 다시 GMR, SPP 및 캐비티 모드에 의해 구조의 기본 레이어에 결합된 빛을 보여줍니다. 따라서 여기된 GMR, SPP 및 캐비티와 이들의 시너지 효과는 광대역 및 거의 완벽한 흡수를 초래한다고 결론지어집니다[18].

전기장 |E |, 자기장 |H | 분포 및 전류 밀도 J 594 nm에서(a –ㄷ ), 1430 nm(b –f ) 및 2586 nm(g –나 ), 각각

태양열 흡수재의 실제 적용에서 광 흡수는 입사각 및 편광 각도에 덜 민감해야 합니다[2, 3, 6, 18, 20]. 그러나 GaAs 재료를 기반으로 하는 대부분의 흡수체는 편광각과 입사각의 탐색을 거의 포함하지 않습니다[36, 39]. 그림 3a는 비스듬한 조사가 있는 TM 편광에서 제안된 태양열 흡수체에 대한 흡수 전개를 보여줍니다. 분명히, 흡수 효과는 입사각이 55°까지이고 중적외선 영역에서 파장이 약간 감소하는 468–3000 nm 범위에서 거의 강력합니다. 입사각이 55° 이상이면 흡수대가 극도로 감소합니다. 그림 3b는 다양한 편광 상태에서 빛의 흡수를 보여줍니다. 여기서 0°는 TM 편광에 해당하고 90°는 횡-전기(TE) 편광에 해당합니다. 편광각이 0°에서 90°로 증가할 때 더 짧은 파장 영역과 더 긴 파장 영역(468–1010 nm 및 1800–3000 nm)에서 흡수가 완벽하게 유지될 수 있음을 관찰합니다. 근적외선 영역에서는 흡수가 감소하지만 여전히 50% 이상입니다. 전반적으로, 흡수의 각도 및 극성화된 감도는 임피던스와 고유 손실의 양호한 일치에 기인해야 합니다[18, 19].

조정 가능한 입사각(a)에서 태양열 흡수체의 흡수 매핑 ) 및 편광 상태(b )

AM 1.5 광원의 조명 아래 최적화된 흡수체를 배치하여 태양열 흡수 조사를 추가로 수행합니다. 태양열 흡수체는 주요 태양 조사 에너지 분포 영역에 걸쳐 가시광선, 근적외선 및 중적외선 영역에서 거의 완벽한 흡수를 보여줍니다(그림 4a). 여러 공진 상태가 동시에 발생하기 때문에 거의 1에 가까운 태양 에너지가 흡수 장치에 의해 포착됩니다. 이는 이러한 구조에서 높은 태양 에너지 흡수 효율을 보여줍니다. 또한, 이 흡수체에 사용된 내화 재료는 온도가 특정 범위에서 증가할 때 이 구조의 열적 안정성을 유지하는 데 기여합니다. 따라서 우리가 제안한 흡수체는 광전 소자에 더 광범위하게 적용된다고 결론지을 수 있습니다[50].

아 태양복사 AM 1.5의 표준 스펙트럼과 AM 1.5 아래의 태양열 흡수기의 태양 에너지 흡수 스펙트럼. ㄴ 태양 복사의 전체 스펙트럼 범위에서 태양열 흡수체의 흡수 및 누락된 에너지

[36]에 보고된 바와 같이 단락 전류 밀도 J _sc AM1.5 태양광 조명에 대한 설명은 \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{ e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) 여기서 e 전자 전하, h 플랑크 상수, λ 는 빛의 파장, Φ_AM1.5 (λ)는 AM 1.5, A(λ에서의 태양 복사 조도입니다. )는 흡수이고 c 광속이다. 여기에서 우리는 다른 매개 변수를 불변으로 사용하여 GaAs 나노 안테나의 두께를 변경하여 단락 전류 밀도를 조사했습니다. t 때 ₂ 30 nm 간격으로 30에서 210 nm로 조정되고, 수집된 광전류는 그림 5와 같이 유도됩니다. 두께 t의 강한 규칙성 ₂ J _sc 주로 300–3000 nm 범위의 공진 모드 수에 의존합니다. 최대 J _sc 61.947 mA/cm ² 와 동일 t일 때 얻습니다. ₂ =120 nm, 이는 Meng et al.에 의해 보고된 것보다 훨씬 큽니다. (30.3 mA/cm ² ) [35].

<그림>

TM 편광 하에서 GaAs 나노안테나의 두께에 따른 단락 전류 밀도

결론

우리는 얇은 W-GaAs-Ti 3층 스택 구조에서 단일층 ITO로 덮인 GaAs 나노안테나를 기반으로 하는 태양열 흡수체를 제시합니다. 468–2870 nm의 파장 범위에서 초광대역에 가까운 완벽한 흡수체를 얻을 수 있으며 평균 흡수율은 95% 이상입니다. 초광대역 흡수 특성은 GMR, 캐비티 모드 및 SPP의 시너지 효과에서 비롯됩니다. 초광대역 태양열 완전 흡수체는 온도에 대한 내성이 우수하고 입사광의 각도 및 편광에 둔감하며 최대 61.947 mA/cm ² 단락 전류 밀도를 제공합니다. . 이는 박막 태양 전지, 태양 에너지 수확 및 열 방출기를 달성하기 위한 새로운 관점을 제공합니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터가 이 기사에 포함되어 있습니다.

약어

TM:

횡방향 자기

1D:

1차원

AR:

반사 방지

GMR:

가이드 모드 공명

SPP:

표면 플라즈몬 극성

MSM:

금속-반도체-금속

FDTD:

유한 차분 시간 영역

TE:

횡전기

알루미늄 및 리튬 니오베이트 구성을 사용하는 메타표면 컬러 필터 직물 물에서 유기 오염 물질을 빠르게 제거하기 위해 Co로 도핑된 화학적으로 박리된 질화붕소 나노시트의 적용