금속 나노입자로 구성된 효율적인 태양열 흡수체의 수치 연구

결과 및 토론

단층 NPA의 경우 유전체 층 두께 hh에 따라 변화하는 흡수 성능이 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2에서는 얇은 유전층 영역(hh <100nm)과 두꺼운 유전층 영역(hh> 100nm)의 두 가지 구별되는 영역이 관찰됩니다. 얇은 유전층 영역에서 hh 두께가 증가함에 따라 잘 흡수되는 밴드가 넓어집니다. 그러나 두꺼운 유전층 영역에서는 더 짧은 파장 범위에서 흡수 딥이 나타나고 유전층이 두꺼워질수록 잘 흡수되는 영역이 축소됩니다. 우리는 다음 연구에서 hh =100nm를 선택했습니다. 작동 대역에서 상대적으로 잘 흡수되는 성능과 가시 영역에 나타나는 명백한 흡수 딥이 없기 때문입니다.

아 , b 유전체 두께에 따라 달라지는 단층 NPA의 흡수 성능 hh

구조에 MD 층이 하나만 있는 경우 400~1600nm 이상의 파장 범위에서 80% 이상의 흡광도가 달성되며, 이는 이미 보고된 많은 태양광 흡수제를 초과합니다. 더 많은 MD 레이어를 적용할수록 흡수체의 흡수 성능이 더욱 향상될 수 있습니다. 그림 3에 다양한 수의 MD 레이어를 사용하여 NPA의 흡수 성능을 표시합니다. NPA 구조에 더 많은 MD 쌍을 적용할수록 더 긴 작동 파장에서 흡수가 크게 증가합니다. 4개의 MD 레이어를 적용하면 해당 흡수체의 흡광도는 대부분의 태양광 스펙트럼이 포함되는 400~2500nm의 파장 범위에서 거의 80%를 초과할 수 있습니다. 8개의 MD 레이어를 NPA에 적용하면 400~2500nm의 대부분의 파장 범위에서 90% 이상의 흡광도를 얻을 수 있습니다. NPA에 12개의 MD 쌍을 적용하면 전체 작동 파장에서 흡수가 90%를 초과합니다.

아 , b 다중 레이어가 적용된 NPA 구조의 흡광도. 아니 -layer NPA는 N이 있는 NPA를 의미합니다. MD 쌍

NPA 흡수체의 흡수 성능과 NPA 구조의 MD 쌍 수 사이의 관계를 추가로 설명하기 위해 다른 수의 MD 쌍에 따라 변하는 NPA 흡수체의 평균 흡광도를 계산합니다. 평균 흡수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 λ ₁ 및 λ ₂ 우리의 경우에는 각각 2500nm와 400nm입니다. MD 레이어의 수와 평균 흡수 사이의 관계는 그림 4에 나와 있습니다. MD 쌍이 증가함에 따라 평균 흡수는 68.5%(단일 MD 레이어)에서 95.4%(MD 레이어 12개)로 증가합니다. MD 페어의 수가 8개 이상이면 평균 흡수의 증가가 본능적 한계에 도달하는 것으로 보이며 상대적으로 더디게 된다. 계산에 따르면 5개 이상의 MD 레이어가 있는 NPA의 평균 흡광도는 400~2500nm의 파장 범위에서 최대 90%에 이릅니다. 이 흡수체는 흡수 효율과 완벽한 흡수 대역폭 모두에서 이전에 보고된 많은 흡수체를 능가합니다.

MD 층 수에 따른 평균 흡광도

앞서 언급했듯이 NPA 구조는 하나의 MD 쌍으로도 높은 흡수를 구현할 수 있습니다. 단일층 NPA 구조의 높은 흡수를 담당하는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해 그림 5에 전기장의 공간 분포를 표시합니다. 그림 5a는 평면에서 단일층 NPA 구조의 전기장 크기 분포입니다. 나는>이 =0. x를 따라 편광된 입사광 방향으로 전기장이 강화되고 나노 입자 주위에 제한됩니다. 이러한 필드 프로파일은 흡수가 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)에 기인할 수 있음을 시사합니다[25]. 더 잘 보여주기 위해 z =그림 5e의 115nm 평면(그림 1b에 표시). 분명히, 입사광의 편광 방향을 따라 금속 입자의 양면에서 전계 강화가 나타납니다. 나노 입자가 밀접하게 배열되어 있기 때문에 인접한 LSPR과 결합하는 입자 주위의 LSPR은 NPA 구조의 높은 흡수를 초래합니다. 이웃하는 LSPR의 결합은 빛을 소비하고 NPA 구조의 높은 흡수를 초래합니다.

전기장 크기 분포(log₁₀ |이 /이 ₀ |) 단일 MD층 NPA:y의 전계 크기 분포 =0 파장 a의 평면 440nm, b 750nm, c 1150nm 및 d 1580nm; 이 전기장 크기 분포(|E /이 ₀ |) z에서 =파장 905nm에서 115nm 평면

단일 MD 쌍 NPA와 비교하여 다중 MD 쌍을 갖는 NPA 구조의 경우 더 긴 파장 범위에서 흡수 성능이 크게 향상됩니다. 이 현상을 설명하기 위해 그림 6에 8MD 쌍 NPA 구조의 공간 전기 분포를 표시합니다. 파장이 다른 빛의 경우 전계 크기 분포가 다릅니다. 더 짧은 파장의 빛(그림 6a, b)의 경우 주로 상위 MD 레이어에 흡수됩니다. 구조의 더 낮은 층에 있는 나노입자 주변의 전계 크기와 필드 구속은 약하다. 더 긴 파장의 경우(그림 6c, d) 모든 MD 층에 전기장 구속이 분명히 존재하고 LSPR은 상위 입자 층뿐만 아니라 하위 입자 층 주위에 강하게 나타납니다. 이것은 다중 MD 쌍 NPA 구조의 경우 더 낮은 MD 레이어가 더 짧은 파장의 입사광을 흡수하는 데 잘 참여하지 않는다는 것을 의미합니다. 대신, 더 긴 파장의 입사광은 더 낮은 MD 층에서 잘 흡수되어 LSPR로 변환될 수 있습니다. 따라서 NPA 구조에 MD 쌍을 추가하면 더 긴 파장의 빛에 대한 NPA 구조의 흡수 성능이 크게 향상되며 이는 그림 3a의 흡수 곡선과 잘 일치합니다. 또한 이것은 그림 3b의 NPA 구조에서 서로 다른 MD 쌍에 대한 흡수 곡선이 더 긴 파장 범위에서 분명히 증가하지만 MD 쌍의 증가와 함께 더 짧은 파장에서 함께 병합되는 이유를 설명합니다.

전기 크기 분포(log₁₀ |이 /이 ₀ |) y의 8개 MD 쌍 NPA 구조 =0 평면 a 441nm, b 638nm, c 1580nm 및 d 2500nm p1–p8은 8개의 MD 쌍 NPA 구조의 한 단위 셀에 있는 8개의 입자를 나타냅니다.

NPA 구조에 대한 더 깊은 통찰력을 얻기 위해 유사한 흡수체인 FMA(평평한 MDM 흡수체, 그림 7에 표시됨)의 흡수 성능을 계산합니다. 다양한 금속층 두께(hd)에서의 흡수 스펙트럼은 그림 8에 표시되어 있습니다. SiO₂의 층 두께 NPA 구조와 동일한 100nm로 설정됩니다. 금속층이 두꺼울수록 FMA 구조의 흡광도가 감소합니다. 90% 이상의 흡광도는 hd =10nm일 때 400~1500nm의 파장 범위에서 달성됩니다. 그러나 금속층 두께(hd)를 NPA 구조의 금속층 두께와 동일한 20nm로 설정하면 FMA의 흡수 효율이 현저히 떨어집니다. 이는 금속층이 두꺼워질수록 구조의 반사율이 더 뚜렷해지고 결과적으로 흡광도가 감소하기 때문에 쉽게 이해할 수 있습니다. FMA의 선택적 흡수는 NPA보다 우수합니다. 파장이 2500nm를 초과하면 흡수가 20% 미만입니다. 태양광 흡수를 위해 제안된 MDM 흡수제가 많이 있지만[26, 27,28,29,30,31,32], 우리 FMA의 흡수 성능은 다른 많은 MDM 흡수기를 능가합니다. FMA의 흡수 효율은 높고 흡수 대역폭은 상당히 넓습니다. MDM의 또 다른 장점은 FMA의 흡수 선택성입니다. 파장이 2500nm 이상이면 흡수율이 20% 미만이므로 TPV 시스템과 같은 선택적 태양 에너지 시스템에 적용할 수 있습니다. 또한 FMA의 금속층 두께는 10nm로 refs의 MDM 흡수재보다 두껍습니다. [31, 32] 더 쉽게 제작할 수 있습니다. 이러한 장점은 모두 MDM 흡수재에 일반적으로 사용되는 귀금속 대신 FMA 구조에 텅스텐을 적용했기 때문입니다.

평면 금속-유전체 다층 흡수체(FMA)의 다이어그램

금속 두께 hd에 따라 변하는 8-MD 쌍 FMA의 흡수 스펙트럼. 유전층 두께 hh는 100nm로 설정

MDM 흡수체의 경우 빛에 대한 흡수 능력은 종종 Fabry-Perot 공명을 기반으로 합니다[2, 6, 33]. 구조에 더 많은 MD 쌍을 추가하면 Fabry-Perot 공명으로 인해 FMA의 흡수 스펙트럼에 추가 흡수 피크가 나타납니다. 이를 더 잘 보여주기 위해 3층 FMA를 예로 플로팅합니다. 그림 9는 유전체 두께 hh에 따라 변하는 3층 FMA의 흡수 성능을 보여줍니다. 그림 9a와 그림 9b의 경우 스펙트럼에 세 개의 흡수 피크가 나타나며 이는 Fabry-Perot 공명 [2, 6]의 결과입니다. Fabry-Perot 공명의 공명 파장은 공동 두께에 따라 증가합니다[2, 6]. 여기서 흡수띠는 유전체층의 두께 hh가 증가함에 따라 더 긴 파장영역으로 넓어지며 흡수띠는 그림 9와 같이 적색편이를 갖는다.

a와 같은 3층 FMA의 흡수 스펙트럼 hd =20nm 및 b hd =10nm는 유전체 두께 hh에 따라 다릅니다. 검은색 원은 공명 피크를 표시합니다.

이것은 NPA 구조에서도 발생합니다. 그림 2a의 흡수 스펙트럼에서 1000nm 부근에 나타나는 흡수 피크는 Febry-Perot 공명 결과여야 합니다. NPA에 3개의 MD 쌍이 있는 경우 그림 9의 3층 FMA의 흡수 스펙트럼과 같이 흡수 스펙트럼(그림 10 참조)에도 3개의 흡수 피크가 있습니다. 그러나 8개의 MD 쌍이 적용되는 경우 NPA, 흡수 피크가 함께 병합됩니다. 더 긴 파장에서 관찰할 수 있는 흡수 피크는 몇 개뿐입니다. 그림 10에서 유전체층의 두께를 증가시키면 흡수 스펙트럼이 적색편이된다. 3층 FMA와 NPA의 흡수 스펙트럼의 유사성으로 인해 NPA의 우수한 흡수 성능도 Fabry-Perot 공명에서 기인한다고 추론할 수 있습니다. 따라서 NPA에는 LSPR과 Fabry-Perot 공명이 있습니다. 뛰어난 흡수 성능은 LSPR과 Fabry-Perot 공명의 존재의 결과일 것입니다.

a에서 실리카 층 두께 hh에 따라 달라지는 흡수 스펙트럼 3층 NPA 구조 및 b 8층 NPA 구조

이 흡수재로 선택한 금속은 텅스텐입니다. 우리의 이전 연구[34]에서 우리는 철이 태양광 흡수체에 적용할 수 있는 우수한 후보가 될 수 있음을 보여주었습니다. 그림 11과 같이 텅스텐 나노입자 구조의 흡수 성능과 동일한 구조의 다른 금속 나노입자로 구성된 흡수체의 성능을 비교하였다. 400~2500nm의 파장 범위에서 92% 이상의 흡수 효율은 철 흡수제의 경우 달성됩니다. 철 흡수제의 잘 흡수되는 대역폭(약 2.1μm)은 텅스텐 흡수제의 대역폭(약 1.8μm)을 초과합니다. 금색 흡수체와 은색 흡수체의 흡수 효율은 좁은 파장 범위 내에서 겨우 90%에 도달합니다. 이들의 흡수 성능은 이 구조에서 텅스텐 및 철 흡수제보다 훨씬 나쁩니다. 이 결과는 우리의 이전 연구[34]와 잘 일치하며, 이는 또한 철 흡수제의 임펜던스(impendence)와 자유 공간의 임펜던스 사이의 잘 일치하는 조건으로 인해 철 흡수제가 종종 귀금속보다 더 나은 흡수 성능을 갖는다는 것을 보여줍니다. 귀금속은 태양광 흡수 분야에서 가시광선의 우수한 흡수 성능으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 가시광선 범위의 빛을 잘 흡수할 수 없기 때문에 일반적으로 TPV 시스템에서 흡수체 또는 방사체로 사용되지 않습니다. 게다가 녹는점이 상대적으로 낮아(약 1000°C), 이는 태양 에너지 시스템에서의 적용을 심각하게 방해합니다.

다른 금속이 적용된 8층 NPA 구조의 흡광도

텅스텐 NPA 구조와 마찬가지로 철 NPA 구조의 흡수 스펙트럼도 실리카 층 두께 hh의 증가에 따라 적색 편이를 보입니다(그림 12에 표시됨). 층 두께(hh)가 100nm 이상일 때 나타나는 100nm 파장 범위의 흡수 딥(dip)을 제외하고 전체 동작 파장대에서 흡수 효율은 거의 90%를 초과합니다. 그림 7과 비교하여 철 NPA 구조의 전체 흡수 성능은 텅스텐 NPA 구조를 능가합니다. 철 나노 입자(94.88%)와 텅스텐 나노 입자(94.09%)의 평균 흡수율은 금(64%) 및 은(28.4%) 나노 입자의 평균 흡수를 초과합니다. 우수한 흡수 성능은 철을 태양 에너지 시스템에서 텅스텐의 유망한 대체 재료로 만듭니다. 게다가 철은 텅스텐보다 비용 효율적입니다. 녹는점은 약 1500°C이며 귀금속보다 높습니다. 텅스텐의 경우 화학적 안정성은 태양계의 중요한 특성 중 하나입니다. 철과 텅스텐의 합금은 두 금속의 장점을 가질 수 있습니다. 우리는 그림 13에서 반사 지수를 더 비교합니다. 금과 은의 데이터는 참고 문헌 [35]에서 채택되었습니다. 텅스텐과 철의 광학 특성은 특히 반사 지수의 허수 부분에서 매우 유사하여 NPA 구조에서 유사한 흡수 성능을 나타냄을 보여줍니다.

8층 Fe-NPA 구조에서 층 두께 hh에 따라 변하는 흡수 스펙트럼

a 비교 굴절률의 실수부 및 b 일반적으로 사용되는 금속의 굴절률의 허수부

NPA 구조의 경우 이러한 균일한 작은 입자의 제조가 어려울 수 있습니다. 따라서 제안하는 구조에 대해 잘 견고함이 요구된다. 그림 14a, b에서 다양한 모양과 크기로 구성된 구조물의 흡수 성능을 계산했습니다. 다양한 크기의 나노 입자에 대해 구조의 흡수는 거의 작동 파장에서 90% 이상으로 유지됩니다. NPA 구조에서 구형 나노 입자를 타원체 나노 입자로 변경하면 흡수가 감소합니다(그림 4b 참조). 전기장이 타원체 입자의 장축을 따라 있는 E1 및 E2 조건의 경우 주로 1700nm 이상의 파장 범위에서 흡수가 떨어지고 대부분의 태양 에너지가 분포하는 더 짧은 파장의 흡수는 거의 동일하게 유지됩니다. . 이 두 경우의 평균 흡수율은 90% 이상입니다. 전기장이 타원체 입자의 단축을 따라 있을 때 흡수가 극적으로 변합니다. 따라서 타원체 형태의 나노입자의 장축 방향은 제작시 전기장의 방향과 일치하도록 유지되어야 한다.

아 나노 입자 크기에 따라 변하는 NPA 구조의 흡수 스펙트럼. ㄴ 다양한 모양의 나노 입자에 대한 NPA 구조의 흡수 스펙트럼. S 구체, E 타원체, a 타원체의 장축 반지름, b 타원체의 단축 반지름입니다. E1 및 E2의 경우 전기장은 장축 방향을 따릅니다. E3의 경우 전기장은 단축 방향을 따릅니다.

게다가, 텅스텐 나노 입자의 감쇠 상수는 종종 표면 산란 및 입자 경계 효과로 인해 벌크 텅스텐보다 큽니다. 참고문헌[36]의 데이터에 따르면, 텅스텐의 증가된 감쇠 상수를 사용하여 구조의 흡수를 다시 계산합니다. 결과는 그림 15에 표시됩니다. 텅스텐의 감쇠 상수가 증가하면 더 짧은 파장(400~1700nm)의 흡수는 거의 변하지 않고 장파장(1700~2500nm)의 흡수는 증가합니다. 이것은 적외선 영역에서 텅스텐의 감쇠 상수가 증가할 때 적외선 영역에서 유전율의 허수부가 증가하고 결과적으로 흡수가 증가하기 때문일 수 있습니다[36]. 텅스텐의 유전율 변화는 단파장보다 장파장에서 더 분명합니다. 따라서 장파장에서 증가된 감쇠상수로 계산된 흡수는 약간 변하지만 단파장에서는 거의 변하지 않습니다.

텅스텐의 다른 감쇠 상수를 사용한 흡수

지금까지 NPA 구조와 FMA 구조, 이들의 흡수 성능과 흡수 메커니즘, 고흡수에 도달하기 위해 적용할 수 있는 금속에 대해 논의했습니다. 그러나 이러한 흡수제의 용도는 다를 수 있습니다. TPV 시스템에서 태양열 흡수 장치의 열 방출을 줄이기 위해 잘 선택적인 흡수 특성이 종종 필요합니다. 따라서 흡수 성능이 그림 3b에 표시된 다층 NPA 구조는 2500nm 이상의 높은 열 방출로 인해 TPV 시스템에 사용하기에 적합하지 않습니다. 그러나 몇 개의 MD 층(그림 3a에 표시된 흡수 스펙트럼)과 FMA 구조(그림 9에 표시된 흡수 스펙트럼)가 있는 NPA 구조는 2500nm 이상의 낮은 열 방출로 인해 TPV 시스템에 사용할 수 있습니다. 다층 NPA 구조의 경우 태양열 증기 생성[37], 폐수 처리 시스템 및 물 가열 시스템과 같이 잘 선택적인 흡수 성능이 필요하지 않은 다른 태양 에너지 시스템에 유용할 수 있습니다.