Absorbeur solaire assisté par nano-antenne semi-conducteur pour piégeage de la lumière à ultra-large bande

Introduction

L'énergie solaire, en tant qu'énergie renouvelable, propre et répandue, est largement étudiée car elle peut être transformée en d'autres énergies pour de larges applications telles que les cellules solaires [1,2,3], les dispositifs photovoltaïques [4, 5] et la photo- émetteurs thermiques [6, 7]. Puisque Landy et al. ont rapporté les absorbeurs parfaits basés sur les méta-matériaux à triple couche métal-isolant-métal [8], de nombreuses nanostructures fascinantes ont été conçues pour la collecte et l'utilisation de l'énergie solaire [9,10,11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21]. Il convient de noter que la capture efficace de l'énergie solaire est une clé pour ces applications. Par conséquent, la réponse d'absorption solaire des absorbeurs est généralement étudiée pour évaluer les performances de la collecte d'énergie solaire. L'absorbeur idéal possède une absorption proche de l'unité dans une large gamme de longueurs d'onde.

En principe, l'absorbeur parfait signifie un bon émetteur thermique dans la même gamme de longueurs d'onde. Pour une température donnée, l'énergie du rayonnement peut être bien décrite et détectée par l'absorption de la structure [7]. De plus, le rapport d'absorption au rayonnement thermique est toujours égal à l'émissivité dans les conditions d'équilibre thermique. De nobles nanostructures métalliques sont généralement utilisées pour obtenir des absorbeurs parfaits, une transmission lumineuse extraordinaire ou des résonances de Fano via un couplage fort de la lumière avec des plasmons de surface [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Cependant, l'énergie solaire absorbée entraînerait une augmentation de la température (c'est-à-dire une instabilité thermique), entraînant l'endommagement des nanostructures métalliques nobles à bas point de fusion [7]. A noter que la stabilité structurelle et la tolérance à haute température peuvent être garanties lorsque des métaux réfractaires sont utilisés pour remplacer les métaux nobles dans les absorbeurs [6, 9, 11, 12]. Bien que les phénomènes d'absorption de la lumière à large bande aient été démontrés dans ces plates-formes, ces méthodes peuvent souffrir de problèmes tels que les géométries sophistiquées [6, 18], des bandes passantes d'absorption relativement finies (< 750 nm) [9, 11, 12], ou une grande exigence de métaux nobles [8, 10, 11, 18].

Les matériaux semi-conducteurs ont également suscité un vif intérêt en raison de leur faible coût et de leur efficacité de conversion élevée pour l'énergie solaire par rapport aux dispositifs conventionnels à couche mince [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. La plupart des absorbeurs solaires sont à base de silicium (Si) en raison de son abondance naturelle et de sa bande interdite énergétique presque idéale [31, 34]. Cependant, l'efficacité des cellules solaires est limitée lorsque l'épaisseur des couches de Si diminue. Par conséquent, le piégeage de la lumière est maintenant devenu l'un des sujets majeurs dans les cellules solaires à couche mince [38]. Récemment, l'arséniure de gallium (GaAs) est devenu un bon concurrent en raison de sa propriété optique unique et de son efficacité de conversion élevée [36,37,38,39], qui ont été démontrées expérimentalement dans la récolte solaire. Par exemple, Massiot et al. ont présenté la nanogrille métallique pour la récolte de lumière multirésonante à large bande dans les couches ultrafines de GaAs avec une bande passante d'absorption de 380 nm (de 450 à 830 nm) [40]. Li et al. ont proposé une cellule solaire en combinant des nanoparticules d'or et des réseaux de nanofils de GaAs pour réaliser la large bande d'absorption dans la région visible (300-850 nm) [39]. Cependant, leurs bandes d'absorption sont presque comprises entre 300 et 1 100  nm. Récemment, en plaçant le réseau GaAs sur une structure bicouche GaAs-tungstène (W), nous avons obtenu un absorbeur parfait [40]. Cependant, la bande passante d'absorption (> 90%) n'atteint que 1300 nm. De plus, seule la polarisation magnétique transverse (TM) est prise en compte dans cette structure.

Dans ce travail, nous proposons un absorbeur solaire réalisable basé sur le semi-conducteur GaAs et les métaux réfractaires W et Ti. Un réseau de périodes de nanoantennes GaAs unidimensionnel (1D), recouvert de nanoantennes antireflet (AR) d'oxyde d'étain et d'indium (ITO), est placé sur la structure de film mince à trois couches de W-GaAs-Ti. Cet absorbeur solaire présente une bande d'absorption ultra-large couvrant les régions du visible et de l'infrarouge moyen en raison de la synergie des résonances en mode guide (GMR) et des modes de résonance en cavité ainsi que des polaritons de plasmon de surface (SPP). La bande passante avec une absorption supérieure à 90 % est supérieure à 2400  nm. L'absorbeur montre également une bonne tolérance à l'angle et à la polarisation de la lumière incidente. De plus, densité de courant de court-circuit élevée jusqu'à 61,947 mA/cm ² est réalisé sous l'illumination solaire AM1.5. Ceux-ci offrent de nouvelles perspectives pour la réalisation de cellules photovoltaïques et d'émetteurs thermiques ultra-compacts et efficaces.

Matériaux et méthode

Le schéma de l'absorbeur proposé est illustré à la figure 1a. Un réseau de nanoantennes 1D GaAs est pris en sandwich par un réseau AR monocouche composé de nanoantennes ITO et d'une fine structure de film à trois couches métal-semiconducteur-métal (MSM). Bien que les métaux nobles soient indispensables pour créer des structures d'absorption à large bande, ils souffrent de points de fusion bas [41]. De plus, en raison de l'effet de petite taille, les points de fusion des nanostructures de métaux nobles à motifs sont considérablement réduits [42]. Celles-ci conduisent à des nanostructures métalliques nobles ne respectant pas la température de fonctionnement du solaire photovoltaïque. Par conséquent, les matériaux dotés d'une stabilité thermique et d'une capacité d'absorption de lumière ultra-élevées sont fortement souhaités pour maintenir la stabilité des absorbeurs solaires. Le W métallique, le titane (Ti) [6, 17] et le semiconducteur GaAs [36, 37, 39] ont tous des points de fusion élevés (respectivement 3422 °C, 1668 °C et 1238 °C à température ambiante) et donc sont employés pour obtenir des bandes d'absorption ultra-larges dans ce travail. La période et la largeur des nanoantennes sont notées P et d , respectivement. L'épaisseur du film W inférieur est de 100 nm. Les épaisseurs des films Ti et GaAs sont respectivement marquées par h ₁ et h ₂ . Les épaisseurs des nanoantennes ITO et GaAs sont marquées par t ₁ et t ₂ , respectivement. Les paramètres optimisés de cet absorbeur sont réglés sur P =500 nm, d =400 nm, t ₁ =80 nm, t ₂ =120 nm, h ₁ =70 nm, et h ₂ =30 nm.

un Schéma de l'absorbeur solaire proposé. b Spectres d'absorption de l'absorbeur solaire (ligne noire), de la structure de la pile MSM (ligne rouge) et de la structure MSM recouverte uniquement de nanoantennes GaAs (ligne bleue)

Les performances optiques et les distributions de champ électromagnétique de cet absorbeur sont calculées par la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) [43]. Des limites périodiques sont utilisées au x les directions et les calques parfaitement assortis sont utilisés au z directions. Les constantes diélectriques de Ti, W et GaAs sont tirées de Palik [44], et l'indice d'ITO est de 2,0 [35]. Sauf indication contraire, une onde plane à large fréquence avec la polarisation linéaire le long du x L'axe est irradié depuis le sommet de la métasurface de la nanoantenne (c'est-à-dire la polarisation TM) avec une distance de 540  nm entre eux. La transmission (T ) dans cet absorbeur est égal à zéro en raison du film métallique opaque utilisé au fond. L'absorption (A ) de cet absorbeur peut être calculé par A =1 − R , où R désigne le reflet. Une région finie avec une longueur de 20 nm, une largeur de 500 nm et une hauteur de 500 nm et un maillage raffiné de 1,6 nm sont choisis pour calculer la densité de courant de court-circuit (les autres paramètres sont les mêmes que ceux définis dans le calcul de réflexion). Un maillage non uniforme avec le pas de maillage minimum de 0,25 nm et l'onde plane avec trois régions de longueur d'onde (280-400  nm, 401-1702 nm et 1705-4400  nm) sont utilisés pour calculer le spectre solaire standard à l'aide d'un simple -simulation dimensionnelle. L'absorbeur proposé peut être fabriqué selon les étapes suivantes :(1) déposer de manière ordonnée des films de W, GaAs et Ti avec une certaine épaisseur sur le substrat de silice via la méthode de dépôt [45, 46] ; (2) déposer une couche de résine photosensible sur la structure fabriquée ci-dessus et la graver par lithographie par faisceau d'électrons [47] pour former un réseau de nanoantennes unidimensionnel ; (3) déposer consécutivement des matériaux GaAs et ITO avec une certaine épaisseur sur la structure fabriquée dans la deuxième étape; et (4) retirer les nanoantennes photorésistantes recouvertes de GaAs et de matériaux ITO par la méthode lift-off.

Résultats et discussion

La figure 1b montre le spectre d'absorption de l'absorbeur optimisé à incidence normale (marqué avec « Absorber », ligne noire). À titre de comparaison, les spectres d'absorption de la structure MSM (marquée par « MSM », ligne rouge) et la structure MSM recouverte uniquement par des nanoantennes GaAs (marquée par « La structure sans la couche ITO », ligne bleue) sont également illustrés à la Fig. 1b. Pour la structure avec la simple structure de film à trois couches MSM, l'absorption est inférieure à 70 %. Lorsque le réseau de périodes de nano-antenne GaAs est placé sur la structure MSM, une bande d'absorption ultra-large avec une absorption renforcée de 657 à 2679  nm est obtenue. Cela indique que le réseau de nanoantennes GaAs est ici responsable de la forte absorption dans la large gamme de longueurs d'onde. Notez que les intensités d'absorption dans les plages de 991 à 1455 nm et 2004 à 2388  nm sont toujours inférieures à 90 %. Pour l'absorbeur proposé, le réseau de nano-antennes ITO d'une épaisseur de 80 nm renforce encore l'absorption et élargit la bande d'absorption. En tenant compte de A> 90 %, un phénomène d'absorption ultra-large est observé avec une bande passante d'absorption allant jusqu'à 2402 nm couvrant les régions visible, proche et infrarouge moyen (468-2870 nm). L'absorption moyenne est augmentée jusqu'à 95,5%. C'est parce que la couche d'ITO de 80 nm d'épaisseur joue un rôle antireflet, ce qui peut encore renforcer l'effet antireflet des nanoantennes GaAs. De plus, la couche d'ITO de 80 nm d'épaisseur est suffisamment élevée pour permettre une faible résistance de feuille, donc de faibles pertes de transport latéral des supports sur des centaines de microns vers les contacts métalliques latéraux [35]. Par conséquent, la grande amélioration de la bande passante d'absorption et de l'efficacité d'absorption est obtenue, supérieure à celle des absorbeurs basés sur les systèmes composites métal noble-semi-conducteur [32,33,34,35,36,37]. L'absorption fortement augmentée provient principalement de l'excitation des GMR et des modes de cavité et de leurs effets de couplage hybridés [18].

Les distributions des champs électromagnétiques (|E | et |H |) et la densité de courant (J ) de cet absorbeur à différentes longueurs d'onde (c'est-à-dire 594 nm, 1430 nm et 2586  nm) sont étudiées. À 594  nm, l'énergie du champ électrique est principalement concentrée à l'interface nanoantenne-air, et la forte énergie du champ magnétique est localisée dans la nanoantenne GaAs et la couche d'ITO (Fig. 2a, b). Ceux-ci indiquent les modes GMR et cavité excités [18, 26]. Le courant électrique dans les nanoantennes GaAs (Fig. 2c) confirme l'efficacité des nanoantennes GaAs pour cette amélioration de l'absorption [48, 49]. A 1430 nm, le champ électrique intense existe principalement dans les fentes d'air à proximité des nanoantennes (Fig. 2d) ce qui implique les modes de cavité excités [18, 26]. Sur la figure 2e, l'énergie du champ magnétique est située aux interfaces du film de nanoantenne GaAs-Ti, indiquant que les modes GMR et cavité excités contribuent à la fois à la lumière couplée dans la structure et excitent davantage les SPP près des interfaces du film GaAs-Ti. cinéma [9, 18, 20, 39]. Le courant électrique distribué dans le film de Ti montré sur la figure 2f fournit une preuve solide que la lumière incidente est entièrement couplée dans la structure. À 2586 nm, les énergies électromagnétiques se localisent principalement dans les fentes entre les nanoantennes et aux interfaces du film de nanoantenne GaAs-Ti et du film GaAs-W (Fig. 2g, h), et le courant électrique se distribue principalement à la surface supérieure de le film W (Fig 2i). Ceux-ci démontrent à nouveau la lumière couplée dans les couches sous-jacentes de la structure par les modes GMR, SPP et cavité. Par conséquent, il est conclu que les GMR, les SPP et la cavité excités et leur synergie entraînent une absorption à large bande et presque parfaite [18].

Champ électrique |E |, champ magnétique |H | distributions et densité de courant J à 594 nm (a –c ), 1430 nm (b –f ) et 2586 nm (g –je ), respectivement

Dans les applications pratiques des absorbeurs solaires, l'absorption lumineuse devrait être moins sensible aux angles d'incidence et de polarisation [2, 3, 6, 18, 20]. Cependant, la plupart des absorbeurs basés sur le matériau GaAs impliquent rarement l'exploration de l'angle de polarisation et de l'angle d'incidence [36, 39]. La figure 3a montre l'évolution de l'absorption pour l'absorbeur solaire proposé sous la polarisation TM avec une irradiation oblique. De toute évidence, l'effet d'absorption est presque robuste dans la plage de 468 à 3000  nm avec un angle d'incidence jusqu'à 55° et seulement une légère diminution de la longueur d'onde dans la région de l'infrarouge moyen. La bande d'absorption se réduira considérablement lorsque l'angle d'incidence est supérieur à 55°. La figure 3b montre l'absorption de la lumière sous différents états de polarisation, où 0° correspond à la polarisation TM et 90° correspond à la polarisation électrique transversale (TE). On observe que l'absorption peut être parfaitement maintenue dans la région des longueurs d'onde les plus courtes et les plus longues (468–1010 nm et 1800–3000 nm) lorsque l'angle de polarisation augmente de 0 à 90°. Bien que l'absorption diminue dans le proche infrarouge, elle est toujours supérieure à 50 %. Globalement, l'insensibilité angulaire et polarisée de l'absorption doit être attribuée à la bonne adaptation de l'impédance et de la perte intrinsèque [18, 19].

Cartographie d'absorption de l'absorbeur solaire sous un angle d'incidence réglable (a ) et l'état de polarisation (b )

Nous effectuons en outre l'investigation de l'absorption solaire en plaçant l'absorbeur optimisé sous l'éclairage de la source AM 1.5. L'absorbeur solaire montre une absorption presque parfaite dans les régions visible, proche et infrarouge moyen, couvrant les principales régions de distribution d'énergie d'irradiation solaire (Fig. 4a). Étant donné que plusieurs états de résonance se produisent simultanément, l'énergie solaire presque proche de l'unité est captée par l'absorbeur. Ceux-ci démontrent l'efficacité élevée d'absorption d'énergie solaire dans une telle structure. De plus, les matériaux réfractaires utilisés dans cet absorbeur contribuent au maintien de la stabilité thermique de cette structure lorsque la température augmente dans une certaine plage. Par conséquent, on peut conclure que notre absorbeur proposé a une application plus large dans les dispositifs photoélectriques [50].

un Spectre standard de rayonnement solaire AM 1.5 et spectre d'absorption d'énergie solaire de l'absorbeur solaire sous l'AM 1.5. b Énergie absorbée et manquée de l'absorbeur solaire dans toute la gamme spectrale de rayonnement solaire

Comme indiqué dans [36], la densité de courant de court-circuit J _sc pour AM1.5 l'illumination solaire est décrite par \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{ e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) où e est la charge électronique, h est la constante de Planck, λ est la longueur d'onde de la lumière, _AM1.5 (λ) est le rayonnement solaire à AM 1,5, A(λ ) est l'absorption, et c est la vitesse de la lumière. Ici, nous avons étudié la densité de courant de court-circuit en modifiant l'épaisseur des nanoantennes GaAs avec d'autres paramètres invariables. Quand t ₂ est réglé de 30 à 210 nm avec un pas de 30 nm, le photocourant collecté est dérivé comme le montre la Fig. 5. Une forte régularité avec l'épaisseur t ₂ est obtenu parce que J _sc repose principalement sur le nombre de modes de résonance dans la plage de 300 à 3000  nm. Le J maximum _sc égal à 61.947 mA/cm ² est obtenu lorsque t ₂ =120 nm, ce qui est beaucoup plus grand que celui rapporté par Meng et al. (30,3  mA/cm ² ) [35].

Densité de courant de court-circuit avec l'épaisseur de la nanoantenne GaAs sous la lumière polarisée TM

Conclusion

Nous présentons un absorbeur solaire basé sur les nanoantennes GaAs recouvertes d'un ITO monocouche sur une structure d'empilement mince à trois couches W-GaAs-Ti. Un absorbeur ultra large bande presque parfait est obtenu dans la plage de longueurs d'onde de 468 à 2870  nm avec une absorption moyenne supérieure à 95 %. La propriété d'absorption ultra-large bande provient de la synergie des GMR, des modes de cavité et des SPP. L'absorbeur solaire parfait à ultra-large bande a également une grande tolérance à la température, une insensibilité à l'angle et à la polarisation de la lumière incidente, et la meilleure densité de courant de court-circuit jusqu'à 61,947  mA/cm ² . Ceux-ci offrent de nouvelles perspectives pour la réalisation de cellules solaires à couche mince, la récupération d'énergie solaire et les émetteurs thermiques.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

TM :

Transversal-magnétique

1D :

Unidimensionnel

RA :

Antireflet

GMR :

Résonances en mode guide

SPP :

Polaritons de plasmons de surface

MSM :

Métal-semi-conducteur-métal

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

TE :

Transversale-électrique