Étude numérique d'un absorbeur solaire efficace constitué de nanoparticules métalliques

Contexte

Les systèmes d'énergie solaire ont attiré de plus en plus d'attention au cours des dernières décennies en raison de la consommation excessive de sources d'énergie traditionnelles et de la détérioration grave de l'environnement. Dans les systèmes d'énergie solaire, l'énergie solaire peut être convertie en électricité ou en énergie thermique pour différents usages avec une pollution mineure de l'environnement. Cependant, les systèmes d'énergie solaire actuels, tels que les systèmes thermophotovoltaïques (TPV), les systèmes solaires de génération de vapeur, les systèmes solaires de chauffage de l'eau, sont inefficaces en termes de conversion d'énergie, et une efficacité approchant les 20% dans des conditions optiques appropriées a été théoriquement prédite dans les systèmes TPV [1] , qui est encore loin d'être largement produite. De nombreux absorbeurs solaires à haut rendement sont développés pour améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie dans les types de systèmes d'énergie solaire. Les polaritons de plasmons de surface (SPP), les plasmons de surface localisés (LSP) et les résonances magnétiques sont souvent utilisés pour réaliser une absorption presque parfaite dans ces absorbeurs. Comme la lumière solaire a un large spectre (de 200 à 3000 nm), elle nécessite un spectre d'absorption suffisamment large pour que les absorbeurs convertissent efficacement la lumière. Cependant, un mode de résonance unique excité dans de nombreux absorbeurs ne peut généralement pas entraîner une absorption lumineuse à large bande. La solution courante pour résoudre ce problème est de concevoir des absorbeurs avec plusieurs modes de résonance. Par exemple, les systèmes multicouches, comme les structures métal-diélectrique-métal (MDM) plates [2, 3], les structures multicouches pyramidales MDM [4, 5] ou les MDM avec des types de structures de réseaux [6], peuvent souvent avoir une absorption à large bande résultant à partir de multi-résonances excitées entre couches métallo-diélectriques tant que le nombre de couches est suffisant. D'autres structures, comme des réseaux de structures absorbantes mineures [7, 8], ou des structures avec un gradient changeant dans leurs tailles [8], peuvent prendre en charge différents modes de résonance et également entraîner une absorption à large bande. La plupart de ces conceptions nécessitent des processus de fabrication assez difficiles, et l'efficacité d'absorption est très critique pour la structure fabriquée et l'environnement environnant, qui habite fortement leurs applications.

En outre, les matériaux des absorbeurs doivent être suffisamment bon marché, ce qui peut offrir la possibilité d'une large production. Cependant, de nombreux absorbeurs rapportés utilisent des métaux nobles dans leur structure. Une absorption presque parfaite peut souvent être obtenue dans ces absorbeurs dans la plage de lumière visible, mais leurs performances d'absorption hors de cette région sont terribles [9,10,11,12,13]. Comme il y a plus de 40 % d'énergie de la lumière solaire dans le spectre de la lumière visible, ces absorbeurs peuvent généralement être inefficaces dans les systèmes d'énergie solaire. En outre, les points de fusion des métaux nobles comme l'or et l'argent sont d'environ 1000 °C, et ils peuvent facilement fondre lorsqu'ils sont appliqués dans un système d'énergie solaire à haute température, ce qui influence sérieusement la stabilité et l'efficacité d'un système d'énergie solaire. Par conséquent, le matériau métallique commun utilisé dans le système d'énergie solaire est le tungstène. Comparés à d'autres métaux, les absorbeurs de tungstène ont souvent un point de fusion relativement élevé, des propriétés chimiques stables et d'excellentes performances d'absorption de la lumière solaire à large bande [14]. Ces avantages font du tungstène un rôle indispensable dans le système d'énergie solaire.

Dans cet article, nous proposons un absorbeur de lumière solaire à large bande basé sur la conception de multicouches nanoparticulaires-diélectriques et l'application de tungstène et de fer dans la structure. Le papier est organisé comme suit. Tout d'abord, nous présenterons l'absorbeur 3D et montrerons les résultats de la simulation. Ensuite, nous illustrerons le mécanisme d'absorption de l'absorbeur et comparerons cette structure avec la structure MDM plate pour obtenir une meilleure compréhension. En outre, il y aura une discussion entre l'absorbeur de nanoparticules de fer et l'absorbeur de nanoparticules de tungstène pour leurs performances lorsqu'ils sont appliqués dans cette structure.

Méthodes

La structure de base de l'absorbeur de nanoparticules métalliques (NPA) est représentée sur la figure 1a. L'absorbeur est composé de plusieurs couches de nanoparticules métalliques diélectriques (MD). La couche de nanoparticules métalliques se compose de nanoparticules étroitement agencées de réseau carré en réseau cubique noyées dans SiO₂ couche. Le diamètre des nanoparticules est de 20 nm et il n'y a pas d'espace entre les nanoparticules voisines. La couche diélectrique au plus haut de la structure est utilisée pour protéger les particules métalliques de l'oxydation. Une cellule unitaire de NPA monocouche est tracée sur la figure 1b. La couche diélectrique supérieure sert à protéger le métal de l'oxydation et a la même épaisseur que la couche diélectrique inférieure. Ainsi, la particule métallique est noyée au milieu de toute la couche diélectrique. Le tungstène est choisi pour être la partie métallique de la structure en raison de ses excellentes performances dans le système TPV [14], et nous avons choisi la silice pour être la partie diélectrique de l'absorbeur pour son indice de réfraction relativement faible. Le développement de techniques modernes de nanofabrication, telles que la lithographie par faisceau d'électrons [15], le broyage par faisceau d'ions focalisé [16], la méthode de pulvérisation magnétron [17] ou l'auto-assemblage de colloïdes [18], permet de produire des structures de couches de nanoparticules proposées dans cet article [19, 18, 20,21,22].

un Structure de base de l'absorbeur diélectrique à nanoparticules métalliques (NPA). Toutes les couches diélectriques ont une épaisseur de hh (100 nm). Le diamètre dd des nanoparticules métalliques est de 20 nm. b Une cellule unitaire de la structure NPA à couche unique MD. Période P = dd = 20 nm

Comme pour la simulation, nous utilisons la méthode 3-D du domaine temporel aux différences finies (FDTD). Le logiciel correspondant est Lumerical FDTD. Les indices de réfraction du diélectrique (SiO₂ ) et le métal (tungstène) sont tous deux adoptés à partir des données expérimentales [23, 24]. Comme les couches de nanoparticules métalliques sont constituées de nanoparticules continues infinies, nous choisissons une cellule de nanoparticules métalliques comme modèle de simulation. Nous traçons une cellule unitaire de la structure NPA monocouche périodique sur la figure 1b. Une lumière TM normalement incidente est incidente le long du y négatif direction avec la polarisation le long du x direction. Par conséquent, la période de simulation P est le même que le diamètre de la nanoparticule métallique (20 nm). La taille de maille minimale est définie sur 0,1 nm. La condition aux limites périodique est adoptée pour une seule cellule unitaire sur la figure 1b. Des couches de correspondance parfaite (PML) sont adoptées en bas et en haut de la structure. L'absorbance est calculée comme A = 1 − R − T , où R est le reflet et T est la transmission. L'épaisseur du substrat métallique est fixée à 300 nm, ce qui est beaucoup plus grand que sa profondeur de peau typique pour éviter de transmettre la lumière. Ainsi, il n'y a presque pas de transmittance dans la gamme de fréquences globale, et l'absorbance de l'absorbeur peut être calculée comme A = 1 − R .

Résultats et discussion

Pour le NPA monocouche, les performances d'absorption sont représentées sur la figure 2 en fonction de l'épaisseur de la couche diélectrique hh. Sur la figure 2, deux régimes distincts sont observés, à savoir le régime à couche diélectrique mince (hh < 100 nm) et le régime à couche diélectrique épaisse (hh > 100 nm). Au régime de couche mince diélectrique, la bande bien absorbante s'élargit avec l'augmentation de l'épaisseur hh. Cependant, au régime de couche diélectrique épaisse, un creux absorbant apparaît à une plage de longueurs d'onde plus courte et la zone bien absorbante se rétrécit à mesure que la couche diélectrique s'épaissit. Nous avons choisi hh = 100 nm dans notre étude suivante en raison des performances d'absorption relative sur la bande de fonctionnement et également en raison de l'absence de creux d'absorption évident dans la région visible.

un , b Performances d'absorption pour le NPA monocouche variant avec l'épaisseur diélectrique hh

Lorsqu'il n'y a qu'une seule couche MD dans la structure, une absorbance supérieure à 80 % est atteinte pour la plage de longueurs d'onde de 400 à plus de 1 600 nm, ce qui dépasse déjà de nombreux absorbeurs solaires signalés. Avec plus de couches MD appliquées, les performances d'absorption de l'absorbeur peuvent être encore améliorées. Nous traçons les performances d'absorption du NPA avec différents nombres de couches MD sur la figure 3. Avec plus de paires MD appliquées à la structure NPA, l'absorption dans la longueur d'onde de fonctionnement plus longue augmente considérablement. Avec quatre couches MD appliquées, l'absorbance de l'absorbeur correspondant peut presque dépasser 80 % pour la plage de longueurs d'onde de 400 à 2500 nm dans laquelle la majeure partie du spectre de la lumière solaire est incluse. Avec huit couches MD appliquées au NPA, une absorbance supérieure à 90 % est obtenue dans la plupart de la plage de longueurs d'onde de 400 à 2500 nm. Avec 12 paires MD appliquées au NPA, l'absorption dépasse 90 % sur toute la longueur d'onde de fonctionnement.

un , b Absorbance de la structure NPA avec plusieurs couches appliquées. N -layer NPA signifie que NPA avec N Paires de DM

Pour illustrer davantage la relation entre les performances d'absorption de l'absorbeur NPA et le nombre de paires MD dans la structure NPA, nous calculons l'absorbance moyenne des absorbeurs NPA variant avec différents nombres de paires MD. L'absorption moyenne peut être calculée comme

où λ ₁ et λ ₂ est de 2500 et 400 nm, respectivement, dans notre cas. La relation entre le nombre de couches MD et l'absorption moyenne est illustrée à la figure 4. Avec l'augmentation des paires MD, l'absorption moyenne passe de 68,5% (couche MD unique) à 95,4% (12 couches MD). Lorsque le nombre de paires MD est supérieur à 8, la croissance de l'absorption moyenne semble atteindre sa limite instinctive et sera relativement lente. Selon le calcul, l'absorbance moyenne du NPA avec plus de cinq couches MD atteint jusqu'à 90 % sur la plage de longueurs d'onde de 400 à 2500 nm. Cet absorbeur dépasse de nombreux absorbeurs précédemment rapportés en termes d'efficacité d'absorption et de bande passante d'absorption parfaite.

Absorbance moyenne en fonction du nombre de couches MD

Comme nous l'avons mentionné précédemment, la structure NPA peut réaliser une absorption élevée même avec une seule paire de MD. Pour comprendre les mécanismes physiques responsables de l'absorption élevée de la structure NPA monocouche, nous traçons sa distribution spatiale du champ électrique sur la figure 5. La figure 5a est la distribution de l'amplitude du champ électrique de la structure NPA monocouche dans le plan y =0. Avec une lumière incidente polarisée le long de x direction, le champ électrique est renforcé et confiné autour des nanoparticules. Un tel profil de champ suggère que l'absorption peut être attribuée à la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) [25]. Pour mieux montrer cela, nous traçons la distribution de l'amplitude du champ électrique en coupe transversale de la particule dans le z =plan  115 nm (marqué sur la figure 1b) sur la figure 5e. Clairement, une augmentation du champ électrique apparaît des deux côtés des particules métalliques le long de la direction de polarisation de la lumière incidente. Du fait que les nanoparticules sont étroitement disposées, le LSPR autour des particules se couplant avec le LSPR voisin entraîne une absorption élevée de la structure du NPA. Le couplage de LSPR voisins consomme de la lumière et entraîne une forte absorption de la structure NPA.

Distribution de l'amplitude du champ électrique (log₁₀ |E /E ₀ |) du NPA à une seule couche MD :distribution de l'amplitude du champ électrique en y = 0 plan à la longueur d'onde a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm et d 1580 nm ; e distribution de l'amplitude du champ électrique (|E /E ₀ |)en z =plan  115 nm à la longueur d'onde 905 nm

Par rapport au NPA à paire unique MD, les performances d'absorption sont considérablement améliorées dans la plage de longueurs d'onde plus longue pour la structure NPA avec plusieurs paires MD. Pour illustrer ce phénomène, nous traçons la distribution électrique spatiale de la structure NPA à huit paires MD sur la figure 6. Pour la lumière de différentes longueurs d'onde, les distributions d'amplitude de champ sont différentes. Pour la lumière de longueur d'onde plus courte (Fig. 6a, b), elle est principalement absorbée par les couches MD supérieures. La magnitude du champ électrique et le confinement du champ autour de la nanoparticule dans les couches inférieures de la structure sont faibles. Alors que pour les longueurs d'onde plus longues (Fig. 6c, d), le confinement du champ électrique existe évidemment dans toutes les couches MD et LSPR apparaissant fortement autour non seulement des couches de particules supérieures, mais également des couches de particules inférieures. Cela signifie que pour la structure NPA à paires MD multiples, les couches MD inférieures ne participent pas bien à l'absorption de la lumière incidente de longueur d'onde plus courte. Au lieu de cela, la lumière incidente de longueur d'onde plus longue peut être bien absorbée et transformée en LSPR dans les couches MD inférieures. Ainsi, l'ajout de paires MD à la structure NPA améliorera considérablement les performances d'absorption de la structure NPA pour une lumière de longueur d'onde plus longue, ce qui correspondait bien à la courbe d'absorption de la figure 3a. Cela explique également la raison pour laquelle les courbes d'absorption pour différentes paires MD dans la structure NPA de la figure 3b augmentent apparemment dans la plage de longueurs d'onde la plus longue, mais se confondent dans la longueur d'onde plus courte avec l'incrément des paires MD.

Distribution de la magnitude électrique (log₁₀ |E /E ₀ |) de la structure NPA à huit paires MD dans le y = 0 avion à a 441 nm, b 638 nm, c 1580 nm et d 2500 nm. p1–p8 représentent les huit particules dans la cellule unitaire de la structure NPA à huit paires MD

Pour mieux comprendre la structure du NPA, nous calculons les performances d'absorption d'un absorbeur similaire, le FMA (absorbeur MDM plat, représenté sur la figure 7). Les spectres d'absorption à différentes épaisseurs de couche métallique hd ont été tracés sur la figure 8. L'épaisseur de couche de SiO₂ est défini sur 100 nm, ce qui est identique à la structure NPA. Avec des couches métalliques plus épaisses, l'absorbance de la structure FMA diminue. L'absorbance supérieure à 90 % est obtenue pour la plage de longueurs d'onde de 400 à 1 500 nm lorsque hd = 10 nm. Cependant, lorsque l'épaisseur de la couche métallique hd est définie sur 20 nm, ce qui est identique à l'épaisseur de la couche métallique de la structure NPA, l'efficacité d'absorption du FMA chute évidemment. Cela peut être facilement compris, car lorsque les couches métalliques deviennent plus épaisses, la réflectance de la structure est plus évidente et l'absorbance diminue en conséquence. L'absorption sélective du FMA est meilleure que celle du NPA. Lorsque la longueur d'onde est supérieure à 2500 nm, l'absorption est inférieure à 20 %. Bien qu'il existe de nombreux absorbeurs MDM proposés pour absorber la lumière solaire [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], les performances d'absorption de notre FMA dépassent de nombreux autres absorbeurs MDM. L'efficacité d'absorption du FMA est élevée et la bande passante d'absorption est assez large. Un autre avantage du MDM est la sélectivité absorbante du FMA. Lorsque la longueur d'onde est supérieure à 2500 nm, l'absorption est inférieure à 20 %, ce qui permet de l'appliquer dans les systèmes d'énergie solaire sélectifs, comme les systèmes TPV. En outre, l'épaisseur des couches métalliques dans le FMA est de 10 nm, ce qui est plus épais que l'absorbeur MDM dans les références. [31, 32] et le rend plus facile à fabriquer. Ces avantages sont tous dus à l'application de tungstène dans la structure FMA au lieu de métaux nobles qui sont couramment utilisés dans les absorbeurs MDM.

Schéma d'un absorbeur multicouche métal-diélectrique plat (FMA)

Spectres absorbants du FMA à huit paires de MD variant avec l'épaisseur du métal hd. L'épaisseur de la couche diélectrique hh est définie sur 100 nm

Pour les absorbeurs MDM, leurs capacités d'absorption de la lumière sont souvent basées sur la résonance Fabry-Pérot [2, 6, 33]. Lors de l'ajout de plus de paires MD à la structure, il y a un pic absorbant supplémentaire apparaissant au spectre absorbant pour FMA en raison de la résonance Fabry-Perot. Pour mieux le montrer, nous traçons un FMA à trois couches à titre d'exemple. La figure 9 trace la performance d'absorption du FMA à trois couches variant avec l'épaisseur diélectrique hh. Pour les figures 9a et 9b, trois pics absorbants apparaissent dans le spectre, résultant de la résonance de Fabry-Perot [2, 6]. La longueur d'onde de résonance de la résonance Fabry-Pérot augmente avec l'épaisseur de la cavité [2, 6]. Ici, la bande d'absorption s'élargit à une plage de longueurs d'onde plus longue avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche diélectrique hh, et la bande d'absorption a un décalage vers le rouge sur la figure 9.

Spectres absorbants du FMA à trois couches en tant que a hd = 20 nm et b hd = 10 nm variant avec l'épaisseur diélectrique hh. Les cercles noirs marquent les pics de résonance

Cela arrive également à la structure NPA. Pour le spectre absorbant de la figure 2a, le pic absorbant apparaissant aux alentours de 1000 nm devrait être le résultat de la résonance de Febry-Perot. Lorsqu'il y a trois paires MD dans le NPA, il y aura également trois pics absorbants dans le spectre absorbant (montré sur la Fig. 10) en tant que spectre absorbant du FMA à trois couches sur la Fig. 9. Cependant, lorsque huit paires MD sont appliquées à NPA, les pics absorbants se confondent; il n'y a que quelques pics absorbants qui peuvent être observés dans une plus grande longueur d'onde. Lorsque l'on augmente l'épaisseur de la couche diélectrique sur la figure 10, le spectre absorbant se déplace vers le rouge. En raison des similitudes du spectre absorbant du FMA et du NPA à trois couches, nous pouvons en déduire que les excellentes performances d'absorption du NPA devraient également résulter de la résonance Fabry-Pérot. Par conséquent, il existe à la fois des résonances LSPR et Fabry-Pérot dans le NPA. L'excellente performance d'absorption devrait être le résultat de l'existence de la résonance LSPR et Fabry-Pérot.

Les spectres absorbants variant avec l'épaisseur de la couche de silice hh dans a la structure NPA à trois couches et b la structure NPA à huit couches

Le métal que nous choisissons pour cet absorbeur est le tungstène. Dans nos travaux précédents [34], nous avons montré que le fer peut être un excellent candidat pour être appliqué dans les absorbeurs de lumière solaire. Comme le montre la figure 11, nous comparons les performances d'absorption de la structure des nanoparticules de tungstène avec les performances des absorbeurs constitués d'autres nanoparticules métalliques sous la même structure. Une efficacité d'absorption supérieure à 92 % pour la plage de longueurs d'onde de 400 à 2 500 nm est obtenue pour l'absorbeur de fer. La bande passante bien absorbante de l'absorbeur de fer (environ 2,1 μm) dépasse la bande passante de l'absorbeur de tungstène (environ 1,8 μm). L'efficacité d'absorption de l'absorbeur d'or et de l'absorbeur d'argent atteint simplement 90 % dans des gammes de longueurs d'onde étroites. Leurs performances d'absorption sont bien pires que les absorbeurs de tungstène et de fer sous cette structure. Ce résultat correspond bien à nos travaux antérieurs [34], qui montrent également que l'absorbeur de fer a souvent de meilleures performances d'absorption que les métaux nobles en raison de la bonne adéquation entre l'impédance de l'absorbeur de fer et l'impédance de l'espace libre. Les métaux nobles sont bien connus pour leurs excellentes performances d'absorption de la lumière visible dans le domaine de l'absorption de la lumière solaire. Cependant, ils ne sont généralement pas utilisés dans le système TPV en tant qu'absorbeur ou émetteur, car ils sont incapables d'absorber correctement la lumière hors de la plage de lumière visible. De plus, leurs points de fusion sont relativement bas (environ 1000 °C), ce qui entrave sérieusement leurs applications dans les systèmes d'énergie solaire.

Absorbance des structures NPA à huit couches avec différents métaux appliqués

Comme la structure du tungstène NPA, le spectre absorbant de la structure du fer NPA a également un décalage vers le rouge avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche de silice hh (tracé sur la figure 12). L'efficacité d'absorption est presque supérieure à 90 % pour toute la bande d'onde de fonctionnement, à l'exception d'un creux d'absorption d'une gamme de longueurs d'onde de 100 nm apparaissant lorsque l'épaisseur de la couche hh est supérieure à 100 nm. Par rapport à la figure 7, la performance d'absorption globale de la structure en fer NPA dépasse celle de la structure en tungstène NPA. L'absorption moyenne des nanoparticules de fer (94,88 %) et des nanoparticules de tungstène (94,09 %) dépasse celle des nanoparticules d'or (64 %) et d'argent (28,4 %). L'excellente performance d'absorption fait du fer un matériau alternatif prometteur pour le tungstène dans le système d'énergie solaire. En outre, le fer est plus rentable que le tungstène. Son point de fusion est d'environ 1500 °C et est supérieur à celui du métal noble. Pour le tungstène, la stabilité chimique est l'une des propriétés cruciales des systèmes solaires. L'alliage de fer et de tungstène peut avoir les avantages des deux métaux. Nous comparons en outre leurs indices de réflexion sur la figure 13. Les données sur l'or et l'argent sont tirées de la référence [35]. Il montre que les propriétés optiques du tungstène et du fer sont très similaires en particulier pour la partie imaginaire de leurs indices de réflexion, ce qui se traduit par leurs performances d'absorption similaires dans la structure NPA.

Spectres absorbants variant avec l'épaisseur de couche hh dans la structure Fe-NPA à huit couches

Comparaison des a partie réelle de l'indice de réfraction et b la partie imaginaire de l'indice de réfraction des métaux couramment utilisés

Pour la structure NPA, la fabrication de ces petites particules uniformes peut être difficile. Par conséquent, une bonne robustesse est requise pour la structure proposée. Nous avons calculé les performances d'absorption des structures composées de différentes formes et tailles sur les Fig. 14a, b. Pour différentes tailles de nanoparticules, l'absorption de la structure reste supérieure à 90 % à presque la longueur d'onde de fonctionnement. Lorsque nous transformons les nanoparticules sphériques en nanoparticules ellipsoïdes dans la structure NPA, l'absorption diminue (illustré à la Fig. 4b). Pour les conditions E1 et E2 dans lesquelles le champ électrique est le long de l'axe principal des particules de l'ellipsoïde, l'absorption chute principalement dans la plage de longueurs d'onde supérieure à 1700 nm et l'absorption dans la longueur d'onde la plus courte où la majeure partie de l'énergie solaire est distribuée reste presque la même . Les absorptions moyennes dans ces deux cas sont supérieures à 90 %. Lorsque le champ électrique se situe le long de l'axe mineur des particules ellipsoïdes, l'absorption change considérablement. Par conséquent, la direction de l'axe principal de la nanoparticule de forme ellipsoïde doit être maintenue en accord avec la direction du champ électrique lors de la fabrication.

un Spectre absorbant de la structure NPA variant avec la taille des nanoparticules. b Spectre absorbant de la structure NPA pour des nanoparticules de différentes formes. S sphère, E ellipsoïde, a le demi-diamètre du grand axe de l'ellipsoïde, b est le demi-diamètre du petit axe de l'ellipsoïde. Pour E1 et E2, le champ électrique est suivant la direction du grand axe. Pour E3, le champ électrique est dans la direction du petit axe

En outre, la constante d'amortissement des nanoparticules de tungstène est souvent plus grande que le tungstène en vrac en raison de la diffusion de surface et des effets de joint de grain. D'après les données de la référence [36], nous recalculons l'absorption de la structure en utilisant la constante d'amortissement augmentée du tungstène. Le résultat est représenté sur la figure 15. Lorsque la constante d'amortissement du tungstène augmente, l'absorption dans la plus courte longueur d'onde (de 400 à 1700 nm) reste presque inchangée, tandis que l'absorption dans la plus grande longueur d'onde (de 1700 à 2500 nm) augmente. Cela peut être attribué au fait que lorsque la constante d'amortissement du tungstène dans la région infrarouge augmente, la partie imaginaire de sa permittivité dans la région infrarouge augmentera [36] et entraînera l'augmentation de l'absorption. Le changement de permittivité du tungstène est plus évident dans la longueur d'onde plus longue que dans la longueur d'onde plus courte. Par conséquent, l'absorption calculée avec la constante d'amortissement augmentée dans la longueur d'onde plus longue change un peu tandis qu'elle reste presque inchangée dans la longueur d'onde plus courte.

Absorption utilisant différentes constantes d'amortissement du tungstène

Jusqu'à présent, nous avons discuté de la structure NPA et de la structure FMA et de leurs performances d'absorption et de leur mécanisme d'absorption et des métaux qui peuvent y être appliqués pour atteindre une absorption élevée. Cependant, les applications de ces absorbeurs peuvent être différentes. Dans le système TPV, les caractéristiques absorbantes bien sélectives sont souvent nécessaires pour réduire les émissions thermiques de l'absorbeur solaire. Ainsi, les structures NPA multicouches dont les performances d'absorption sont représentées sur la figure 3b ne conviennent pas pour être utilisées dans le système TPV en raison de l'émission thermique élevée au-dessus de 2500 nm. Cependant, la structure NPA avec quelques couches MD (spectre absorbant tracé sur la figure 3a) et la structure FMA (spectre absorbant tracé sur la figure 9) peut être utilisée dans le système TPV en raison de la faible émission thermique supérieure à 2500 nm. Pour les structures NPA multicouches, ils pourraient être utiles dans d'autres systèmes d'énergie solaire dans lesquels des performances d'absorption bien sélectives ne sont pas requises, comme la production de vapeur solaire [37], les systèmes de traitement des eaux usées et les systèmes de chauffage de l'eau.

Conclusions

En résumé, nous avons proposé un absorbeur large bande très efficace constitué de couches de nanoparticules de tungstène et de SiO₂ couches sur le dessus d'un substrat métallique. Avec huit couches MD appliquées, l'absorbeur peut avoir une absorbance supérieure à 90 % pour la plupart de la plage de longueurs d'onde de 400 à 2 500 nm. L'efficacité d'absorption de cet absorbeur dépasse l'efficacité d'absorption de nombreux autres absorbeurs de lumière solaire, qui offrent de nombreuses possibilités pour l'absorbeur d'être appliqué dans des systèmes d'énergie solaire tels que la production de vapeur solaire, le chauffage solaire de l'eau et les systèmes de traitement des eaux usées. En outre, nous comparons l'absorbeur NPA avec le FMA et avons constaté que l'excellente performance d'absorption de l'absorbeur NPA résulte de la résonance LSPR et Fabry-Peort. Nous comparons en outre les performances d'absorption de plusieurs absorbeurs de nanoparticules métalliques communs sous les mêmes paramètres de structure. Les résultats montrent que le fer peut être un matériau candidat prometteur pour le tungstène dans l'absorbeur solaire. Tous ces résultats de simulation aident à concevoir de nouvelles cellules absorbant la lumière solaire dans les systèmes d'énergie solaire, et les absorbeurs que nous avons proposés sont prometteurs pour être appliqués dans les applications réelles.

Abréviations

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

FMA :

Absorbeur multicouche métal-diélectrique plat

LSP :

Localized surface plasmon

NPA:

Nanoparticle absorber

TPV:

Thermo-photovoltaic