Nano-méta-absorbeur ultra-large bande utilisant un réseau de patches hexagonaux fendus pour une capture solaire visible et UV supérieure

Résumé

L'énergie solaire est l'une des sources ambiantes où l'énergie peut être récupérée facilement sans pollution. La récupération intentionnelle par la cellule solaire pour récupérer l'énergie nécessite une technique de pointe pour accélérer l'absorption d'énergie en flux d'électrons pour produire plus d'électricité. Les structures de la cellule solaire ont été recherchées pour améliorer l'efficacité d'absorption, bien que la plupart ne puissent absorber efficacement qu'avec une tolérance d'angle étroite et une sensibilité à la polarisation. Il existe donc une forte demande d'absorption à large bande avec une sensibilité à la polarisation minimale, nécessaire pour une récolte d'énergie solaire efficace. Dans cet article, nous proposons une nouvelle forme de méta-absorbeur à réseau de patches hexagonaux fendus (SHPA) avec des caractéristiques double-négatives (DNG), qui fournira une large bande d'absorption avec une faible sensibilité à la polarisation pour la récolte d'énergie du spectre solaire. La nouvelle forme SHPA proposée se compose de six nano-bras avec une seule fente verticale qui avec symétrie de pointe de flèche. Ce bras orientera la résonance électromagnétique (EM) pour acquérir une permittivité et une perméabilité négatives absolues, assurant la propriété DNG. Cette méta-matériau DNG est analysé basé sur la méthode quantique de photoconversion pour l'absorption maximale de photons. Les caractéristiques symétriques de la structure proposée permettent à l'absorbeur de montrer une insensibilité à la polarisation et des capacités d'absorption à grand angle d'incidence. Le SHPA simulé montre une capacité d'absorption d'ondes électromagnétiques du spectre visible et ultraviolet (UV) de plus de 95 %. La méthode quantique donne un avantage dans l'efficacité de conversion de l'absorbeur, et l'analyse numérique de la structure SHPA proposée fournit une qualité d'absorbance pour la récolte d'énergie du régime THz à travers la cellule solaire ou l'application photonique.

Introduction

L'ingénierie des matériaux a contribué à l'histoire du développement humain depuis l'Antiquité, et le « méta-matériau » va devenir l'une des percées vitales. « Méta », dénotant un changement dans le genre de matériau, montre des caractéristiques diélectriques uniques comme la permittivité et la perméabilité négatives, facile à fabriquer. Différents potentiels d'application dans les méta-matériaux rendent plusieurs chercheurs à travers le monde plus curieux de faire l'innovation de référence dans leurs domaines de recherche respectifs. La conversion d'énergie photonique à partir de la gamme de fréquences visible et son incorporation dans la récolte d'énergie, spécifiquement la recherche sur l'énergie basée sur les cellules solaires, est l'un des domaines prometteurs dans l'absorbeur méta-matériau. Le spectre visible ou les ondes lumineuses UV nous entourent toujours sans problèmes graves et une quantité abondante d'énergie. Parmi toutes les techniques établies d'utilisation, les technologies photovoltaïques (PV) sont largement appliquées à l'application sur le terrain, et ces dernières années, la méthode de pointe a été proposée pour améliorer les performances pour équilibrer les futurs défis de l'énergie verte. Par exemple, les cellules mono, multi-cristallines et polycristallines pour l'amélioration de l'efficacité, le développement PV utilisant les pérovskites halogénures métalliques, le PV organique et à points quantiques pour l'amélioration du rendement de conversion de puissance, la qualité optoélectronique des matériaux PV pertinents qui affectent la puissance de sortie, etc. sont axés sur l'amélioration de l'efficacité de la cellule solaire.

En outre, un domaine potentiel de la récolte d'énergie solaire utilisant une combinaison d'antenne et de redresseur (diode) connu sous le nom de « rectenna » a également été exploré pour améliorer l'efficacité d'une cellule PV typique. Les rectennas ont été étudiées principalement pour la transmission de puissance micro-ondes car elles sont très efficaces pour convertir l'énergie micro-ondes en électricité. Par exemple, un prototype breveté utilisant la nanotechnologie axé sur la conversion de la lumière en électricité avec une efficacité améliorée et actuellement compatible avec la cellule solaire traditionnelle. La procédure expérimentale montre que la rectenna placée sous un module PV a donné une sortie de 380 à 480 W/m² avec un module combiné augmenté de 10–20 % à 38–40 %. En raison de la contrainte de la technique de nanofabrication, la plupart des prototypes fonctionnent dans la gamme infrarouge lointaine plutôt que dans le spectre visible. On peut s'attendre à ce que le développement de la nanotechnologie accélère davantage cette approche. Ainsi, des articles récents ont adopté une stratégie diverse pour récolter l'énergie solaire, telle que l'hybridation de l'énergie RF-solaire par l'antenne transparente multiport qui a atteint 72,4 % d'efficacité avec 53,2 % d'efficacité de conversion RF-DC. L'antenne nano dipôle évolutive (EDN) fabriquée par lithographie à faisceau d'électrons dédiée à l'optimisation de l'efficacité pour la récolte où l'efficacité a augmenté de 30 % à 40 % par rapport à l'antenne nano dipôle classique (CDN). Le métal-isolant-métal (MIM) intégré avec tunnel SiO₂ montre un rendement de conversion supérieur à 90 %, Zhang et Yi ont proposé une approche similaire utilisant une nano-rectenna en forme de nœud papillon affirmant un rendement de conversion de 73,38 %. De même, une rectenna inspirée des méta-matériaux avec un résonateur « Fabry-Perot (FP) » à diode Schottky intégrée a démontré un facteur Q élevé et une amélioration de performance de 16 fois, une rectenna optique inspirée des méta-matériaux et développée par un modèle semi-classique affirmant un haut rendement, une cellule solaire à faible coût. Non seulement cela, plusieurs variations dans les caractéristiques des méta-matériaux ont été explorées comme les méta-matériaux commutables avec bifonctionnalité d'absorption, les méta-surfaces à base de dioxyde de vanadium, les méta-surfaces inspirées du germanium pour la détection accordable. En dehors de l'idée conventionnelle de récolte d'énergie, la plupart des absorbeurs ou antennes méta-matériaux développés pour la récolte d'énergie RF plutôt que le spectre visible. La récolte d'énergie dans ces articles ne peut pas contribuer à la cellule solaire.

La recherche récente sur les rectennas gamme THz ou les absorbeurs méta-matériaux inspirés nano-rectennas est encore en expérience de laboratoire ou analyse en raison de plusieurs contraintes comme l'adaptation d'impédance, l'intégration entre cellule unitaire et cellule PV, l'alimentation de l'énergie convertie de la cellule unitaire vers l'unité PV, l'efficacité de conversion photonique, les pertes de transport, etc. De plus, les cellules PV sont susceptibles de dégrader les performances avec les paramètres environnementaux et une bande d'absorption étroite dans le spectre visible. Néanmoins, l'antenne nano ou l'absorbeur à l'échelle nanométrique est exploré en adoptant des techniques de conception et de fabrication avancées telles que l'absorbeur plasmonique omnidirectionnel avec un rendement de récolte d'environ 38 %, le collecteur électromagnétique nano-antenne (NEC) sur substrat flexible montrant 90 % d'absorption en surmontant le comportement optique des matériaux et les contraintes de fabrication. Les propriétés optiques et électriques uniques de la structure à l'échelle nanométrique révèlent une variété de pourcentages d'absorption avec des caractéristiques matérielles dynamiques. Bien que la plupart des structures sophistiquées rapportées restent difficiles à appliquer dans le scavenging d'énergie solaire, certains absorbeurs méta-matériaux sont utilisés pour l'application prévue sur une base expérimentale. Avec l'antenne convertissant l'onde EM incidente en signal AC, la diode peut le redresser en tension DC utilisable. Plus de 90 % d'efficacité de conversion peut être obtenu dans les fréquences radio. Cependant, il est extrêmement difficile d'étendre la rectenna au régime optique en raison du processus compliqué et de la réponse trop lente de la redressement à base de diode. Un travail rarement remarqué sur la conversion photoélectrique directe sans diode, connu sous le nom d'effet Hall dynamique (DHE), a été rapporté par H. Barlow en 1954. Il a été proposé pour produire une tension DC via l'action conjointe de champs électriques et magnétiques dynamiques du rayonnement incident oblique. Cet effet est théoriquement exhibé par tous les matériaux conducteurs et applicable à tout le spectre EM des micro-ondes aux fréquences visibles avec une réponse rapide. Ainsi, un domaine potentiel d'amélioration de l'efficacité du système de récolte d'énergie solaire utilisant les méta-matériaux reste à explorer, analyser et redéployer toutes les techniques disponibles pour accélérer l'efficacité typique de la cellule solaire au niveau de l'application.

Dans cet article, nous proposons un absorbeur méta-matériau SHPA sur matériau tri-nano-couche avec caractéristiques DNG simulé à la fois sur les régimes visible et UV pour la récolte d'énergie solaire. La méthode analytique par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) a été suivie pour la formation de structure, l'analyse, et le logiciel commercial CST Microwave Studio (MWS) 2017 utilisé pour la simulation. Par conséquent, les conditions aux limites standard appliquées pour l'analyse de propagation d'onde ainsi que la polarisation plane TE, TM également modélisées pour l'absorption à grand angle. Pour la structure d'absorbeur méta-matériau à l'échelle nano optimisée, les algorithmes génétiques (AG) ont été appliqués avec succès dans de nombreux designs différents pour obtenir un résultat positif. Donc, l'absorbeur proposé a adopté un algorithme similaire pour trouver les caractéristiques de matériau à indice négatif (NIM). La Figure 1c illustre le domaine de conception de cellule unitaire optimisée par AG où la forme nano Hexa fendue et divisée en grille 10 × 7. À l'intérieur de la grille, une sous-grille 3 × 3 sous-divisée représente la forme hexagonale. Le mécanisme réel est l'interpolation de données pour obtenir l'absorption améliorée en variant la dimension géométrique tout en préservant la forme nanostructure. Le but de cet AG est d'extraire le méta-matériau SHPA pour la fréquence visible avec les caractéristiques NIM maximales possibles. Le paramètre de diffusion évalué pendant la simulation a été transféré au programme MATLAB pour extraire la caractérisation et l'analyse de propriété pertinente. L'investigation numérique montre plus de 95 % d'absorption dans les deux régimes de fréquence avec des caractéristiques méta-matériaux gauchers significatives. Ainsi, le SHPA proposé avec une validation fabriquée supplémentaire peut prouver son champ d'application potentiel comme la récolte d'énergie solaire, le processus d'accumulation de photons pour une cellule solaire, ou l'amplification photonique.

Conception computationnelle et méthodologie

L'absorbeur méta-matériau SHPA a été modélisé comme un substrat double couche, Arseniure de gallium (GaAs), et Nickel (optique), et la couche de patch conçue sur Or (Au). Un GaAs de 80 nm d'épaisseur avec permittivité perdante de 12,94 et Ni de 100 nm d'épaisseur (Fig. 1a). Le Tableau 1 montre les dimensions détaillées de la structure de cellule unitaire. L'épaisseur du patch SHPA est de 90 nm, et le film Au est négligeable pour un champ magnétique localisé, conductivité isotrope de 4,1 × 10⁷ S/m. Selon le « tenseur de conductivité de Drude anisotrope », seule la composante Z du champ magnétique local est considérée. Parce qu'une composante orthogonale des deux autres axes est beaucoup plus faible que la composante Z. Pendant la simulation, la condition aux limites périodique dans les directions X et Y en appliquant PEC (conducteur électrique parfait) et PMC (conducteur magnétique parfait) respectivement sur la couche supérieure et inférieure (Fig. 1b). La conductivité anisotrope sur les cellules unitaires était assurée en incorporant un champ magnétique localisé. Les paramètres S du SHPA ont été simulés, variant de 430 THz à 1000 THz avec un pas de 100 THz. La réflexion (R), la transmission (T) et l'absorption (A) ont été obtenues par A = 1 - T - R où |S₁₁|² = R et |S₂₁|² = T. L'onde plane de champ électrique définie par E = E_xCos(ωt + kz) se propageant vers l'axe Z où E_x est l'amplitude du champ électrique, ω est la fréquence angulaire, t est le temps, et k est le nombre d'onde.

Résultats, analyse et discussion

Puissance de la cellule unitaire et propriétés diélectriques

Selon la méthode photo-quantique, une certaine quantité de puissance est requise à la condition aux limites de la cellule unitaire, en particulier dans la direction de propagation, l'angle de polarisation, le flux de courant E-field et H-field, etc. Analysons la puissance requise pour se propager dans une direction multi-cristalline. Les équations (2) et (3) sont basées sur un théorème du vecteur de Poynting complexe inspiré par les références. Le fait est que la puissance reçue par la cellule unitaire serait la lumière du soleil, qui est omnidirectionnelle, et le flux de puissance utilisant l'absorbeur doit aller dans une direction pour améliorer l'efficacité. Ainsi, la puissance de l'onde propagée est simplement proportionnelle à la partie réelle du vecteur lié au paramètre de moyenne temporelle. La puissance stimulée à un ou les deux ports se propagera à travers la cellule unitaire. Le reste de l'énergie quittera par tous les ports (puissance sortante). La puissance acceptée dans la cellule unitaire est convertie en pertes comme les propriétés des matériaux diélectriques, les patches, ou les éléments concentrés considérés pour les nano-bras SHPA. En considérant la partie réelle de la puissance moyenne complexe dans la direction Z... [équations]

Les propriétés diélectriques (ε, μ, η) extraites du paramètre S pour l'investigation numérique pour évaluer les propriétés des méta-matériaux. L'absorbeur de cellule unitaire avec trois matériaux différents a des caractéristiques isolées dans la propagation d'onde EM, mais cette dimension structurelle unique avec capacitances et inductances en cascade sur les patches supérieurs modifie les propriétés diélectriques conventionnelles des caractéristiques matérielles individuelles et dépeint des propriétés uniques. Maintenant, extrayant les propriétés diélectriques, la méthode DRI a été utilisée où le coefficient de transmission (S₂₁) et le coefficient de réflexion (S₁₁) étaient les paramètres critiques.

La Figure 3 montre tous les résultats simulés du nano-méta-absorbeur SHPA proposé. La Figure 3a,b magnitude de S₁₁ et S₂₁ a une magnitude presque cohérente dans les parties réelle et imaginaire. Bien que la réponse de la gamme infrarouge ait trois points de résonance consécutifs petits en raison de l'effet de profondeur de peau (δ) de la structure, heureusement, cela joue un rôle positif pour obtenir la permittivité négative, la perméabilité et l'indice de réfraction. La Figure 3c,d,e montre respectivement la valeur réelle et imaginaire de ces propriétés et assure l'existence du méta-matériau sur le SHPA proposé. De plus, les champs électromagnétiques évanescents thermiques intenses sont nécessaires à considérer en raison de la perspective d'application de la récolte d'énergie solaire. Expérimentalement mentionné que, pendant le rayonnement de champ proche, la conduction de chaleur de deux matériaux consécutifs augmente progressivement. De plus, les polaritons de surface dominent également les ondes évanescentes et selon le « modèle de Drude », la permittivité et la perméabilité complexes sont déterminées par les polarisations d'onde à l'intérieur de la cellule unitaire. La Figure 3 c,d,e présente les propriétés diélectriques où l'opération de longueur d'onde inférieure de la permittivité et de la perméabilité est affectée par cette onde évanescente. Donc, les caractéristiques négatives de la cellule unitaire proposée sont significativement visibles et assurent une bonne absorption EM. Les caractéristiques de ligne de transmission et le ROS (rapport d'onde stationnaire de tension) du nano-absorbeur SHPA dans la Fig. 4 montrent clairement le montant de réflexion... [suite]

Analyse d'effet de champ

La nature EM de la lumière est une onde électromagnétique transversale aux régions visibles. La lumière venant du soleil est divisée en trois spectres : infrarouge, visible et ultraviolet (UV). La distribution d'énergie spectrale de la lumière solaire a une intensité maximale de 1,5 eV dans la gamme visible similaire à la plupart des matériaux semi-conducteurs tandis que les deux autres spectres produisent de la chaleur si absorbés. En considérant la propagation EM de la lumière visible typique et les conditions aux limites énoncées dans la Fig. 1b, la performance numérique du champ électrique (E-field) et du champ magnétique (H-field) est montrée dans la Fig. 4. Bien que les caractéristiques de fréquence de résonance 445 THz soient présentes dans la figure, toute la bande passante 430~650 THz a une distribution similaire du champ. [Équations et analyse des champs]

La polarisation de l'onde lumineuse a été étudiée sur la cellule unitaire SHPA proposée pour expliquer la faisabilité de la cellule unitaire pour la récolte d'énergie solaire puisque l'onde polarisée à travers la surface perd son énergie pendant la propagation. La formulation hamiltonienne a mentionné que les éléments de matrice de dipôle de transition varient pour la polarisation TE et TM aux différents angles d'incidence de l'onde sur le matériau GaAs. L'angle de polarisation pour les modes TE et TM augmente par pas de 40° (Fig. 6), et l'angle de polarisation du champ électrique a un effet dominateur surprenant comparé à l'orientation du champ magnétique. Pendant le mode TE, à une gamme inférieure, environ 430–650 THz (690 nm à 460 nm), pour une différence donnée de combinaison de substrat Ni-GaAs, la différence entre les couches cœur et gaine fait un indice de réfraction variable qui augmente quand la longueur d'onde visible approche le gap de bande. Donc, la fluctuation de la quantité d'absorption observée sur ce spectre (Fig. 6a), tandis que la polarisation TM montre un type de fluctuation similaire malgré les changements d'angle de polarisation de 0° à 120°. Au mode TM, le déphasage devient généralement grand pour les longueurs d'onde plus longues. De plus, la forme hexagonale a un effet significatif sur l'absorption pendant la variation de l'écart de fente et de la hauteur du patch. La capacitivité formée par le patch à écart de fente varie tandis que la capacitivité adjacente par la position du patch est stable. La Figure 6c montre le changement d'écart de fente de 5 nm à 25 nm et un écart de fente plus bas donne une excellente absorption en raison de la capacitivité substantielle. Malgré le changement d'écart, l'absorption reste presque au-dessus de 90 % pour 5 nm, et l'augmentation progressive de l'écart de fente fait une chute d'absorption initiale autour de 430–500 THz mais globalement 95 % d'absorption observée pendant la simulation. En termes de hauteur SHPA (Fig. 6d), comme l'écart de fente du patch reste 10 nm, la zone de propagation du signal EM augmente collectivement pour l'incidence normale et oblique et donc la hauteur de fente optimisée avec une valeur plus élevée avec absorption. Pour la hauteur ou épaisseur SHPA de 60 nm à 90 nm, l'absorption moyenne de 85 % à 88 %, ce qui déclare directement l'optimisation pour 90 nm.

Conclusions

Dans cet article, un absorbant méta-matériau à hexagone fendu est proposé en utilisant six nano-bras en Au basés sur un substrat GaAs et Ni pour les applications de récolte d'énergie solaire. L'analyse photo-quantique et la distribution de flux de puissance montrent mathématiquement que la cellule unitaire proposée a une possibilité significative de conversion de photons pour les applications photovoltaïques ou de cellules solaires. La performance de la cellule unitaire SHPA proposée a été analysée basée sur les propriétés diélectriques, la performance de ligne de transmission, la distribution de champ et de puissance, l'absorption en termes d'étude paramétrique. Toutes les données ont été extraites du paramètre S par simulation CST MWS, ce qui montre que les caractéristiques DNG existent avec une absorption EM ultra-large bande (plus de 95 %) à la fois dans le spectre visible et UV de la lumière. L'unité de patch Hexa optimisée est un écart de fente de 10 nm et une hauteur de 90 nm pour l'absorption énoncée. La validation expérimentale de l'absorbeur proposé sera poursuivie pour être un candidat souhaitable dans les applications de récolte d'énergie de la gamme THz.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

CDN :

Antenne nano dipôle classique

DRI :

Indice de réfraction direct

DNG :

Double négatif

EM :

Électromagnétique

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel

AG :

Algorithme génétique

PV :

Photovoltaïque

SHPA :

Réseau de patches hexagonaux fendus

UV :

Ultraviolet