Projeto de Nano-metaabsorvente em formato de matriz de patch hexagonal dividido com absorção de banda ultralarga para aplicação de espectro de UV e visível

Resumo

A energia solar é uma das fontes ambientais onde a energia pode ser facilmente eliminada sem poluição. A eliminação da intenção da célula solar para recuperar energia requer uma técnica de ponta para acelerar a absorção de energia para o fluxo de elétrons para produzir mais eletricidade. As estruturas da célula solar foram pesquisadas para melhorar a eficiência de absorção, embora a maioria delas só possa absorver com eficiência com tolerância de ângulo estreito e sensibilidade de polarização. Portanto, há uma forte demanda por absorção de banda larga com absorvedor de sensibilidade de polarização mínimo, o que é necessário para a captação de energia solar eficaz. Neste artigo, propomos um novo absorvedor de metamaterial em forma de Split Hexagonal Patch Array (SHPA) com características Double-negativas (DNG), que fornecerá uma ampla banda de absorção com baixa sensibilidade de polarização para coleta de energia do espectro solar. A nova forma de SHPA proposta consiste em seis nano-braços com uma única divisão vertical com simetria de ponta de flecha. Este braço orientará a ressonância eletromagnética (EM) para adquirir permissividade e permeabilidade negativa absoluta, garantindo a propriedade DNG. Este metamaterial DNG é analisado com base no método quântico de fotoconversão para absorção máxima de fótons. As características simétricas da estrutura proposta permitem que o absorvedor apresente insensibilidade à polarização e capacidade de absorção de grande ângulo incidente. O SHPA simulado mostra uma capacidade de absorção de ondas eletromagnéticas de espectro visível e ultravioleta (UV) de mais de 95%. O método quântico dá uma vantagem na eficiência de conversão do absorvedor, e a análise numérica da estrutura SHPA proposta fornece qualidade de absorbância para captação de energia em regime THz através de célula solar ou aplicação fotônica.

Introdução

A engenharia de materiais tem contribuído para a história do desenvolvimento humano desde os tempos antigos, e o "metamaterial" será um dos avanços vitais da direção em breve. ‘Meta’, denotando uma mudança no gênero do material, mostra características dielétricas únicas, como permissividade negativa e permeabilidade, fácil de fabricar [1]. Diferentes potencialidades de aplicação [2, 3] em metamateriais tornam vários pesquisadores ao redor do mundo mais curiosos para fazer inovação de benchmark em seus respectivos campos de pesquisa. A conversão de energia fotônica da faixa de frequência visível e incorporá-la na coleta de energia, especificamente na pesquisa de energia baseada em células solares, é uma das áreas promissoras no absorvedor de metamateriais [4,5,6]. Espectro visível ou ondas de luz de alcance ultravioleta sempre nos cercaram sem problemas graves e uma quantidade abundante de energia. Dentre todas as técnicas de utilização estabelecidas, as tecnologias fotovoltaicas (PV) são amplamente aplicadas em aplicações de campo e, nos últimos anos, o método de última geração foi proposto para melhorar o desempenho e fazer o equilíbrio nos futuros desafios de energia verde. . Por exemplo, células simples, multicristalinas e policristalinas para melhoria da eficiência, desenvolvimento PV usando perovskitas de haleto metálico, PV orgânico e quântico ponto para aumento da eficiência de conversão de energia, qualidade optoeletrônica de materiais relevantes PV que afetam a produção de energia [7] e assim sobre. Além disso, o método de fabricação de material como a deposição sequencial de camada de perovskita PV de alta qualidade [8], perovskitas PV revestidas e impressas [9], reciclagem de fótons [10] ou algoritmo baseado na analogia do centróide no ponto de potência máxima [11], etc. são focado para aumentar a eficiência da célula solar.

Além disso, um campo potencial de captação de energia solar usando uma combinação de antena e retificador (diodo) conhecido como ‘retena’ também foi explorado para aumentar a eficiência de uma célula fotovoltaica típica. Rectenas têm sido estudadas principalmente para transmissão de energia baseada em microondas, uma vez que é altamente eficiente na conversão de energia de microondas em eletricidade. Por exemplo, um protótipo patenteado [12] usando nanotecnologia focado na conversão de luz em eletricidade com maior eficiência e atualmente compatível com a célula solar tradicional. O procedimento experimental mostra que a retina colocada debaixo de um módulo PV deu uma saída de 380 a 480 W / m ² com um módulo combinado aumentado de 10–20% para 38–40%. Devido à restrição da técnica de nanofabricação, a maior parte do protótipo opera na faixa do infravermelho distante, em vez do espectro visível. Pode-se esperar que o desenvolvimento da nanotecnologia possa acelerar ainda mais essa abordagem. Assim, artigos recentes adotaram uma estratégia diversa de captação de energia solar, como a hibridização de RF-energia solar pela antena multiporta transparente [13] alcançou 72,4% de eficiência com 53,2% de eficiência de conversão de RF para DC. Nanoantena dipolo evolutiva (EDN) [14] fabricada por litografia de feixe eletrônico dedicada à otimização da eficiência para colheita onde a eficiência aumentou de 30% a 40% em comparação com a nanoantena dipolo clássica (CDN). Metal-isolador-metal (MIM) integrado com SiO ₂ túnel [15] mostra eficiência de conversão de mais de 90%, Zhang e Yi [16] propuseram uma abordagem semelhante usando nano-retena em forma de gravata borboleta alegando eficiência de conversão de 73,38%. Da mesma forma, a retena inspirada em metamaterial com ressonador 'Fabry-Perot (FP)' baseado em diodo Schottky embutido [17] demonstrou alto fator Q e melhoria de desempenho de 16 vezes, a retena óptica inspirada em metamaterial e desenvolvida por modelo semiclássico declara alta eficiência, célula solar de baixo custo [18]. Não só isso, várias variações nas características do metamaterial exploradas como metamaterial comutável com bifuncionalidade de absorção [19], metassuperfície fina à base de dióxido de vanádio, metassuperfície inspirada em germânio para detecção sintonizável [20]. Além da ideia convencional de captação de energia, a maior parte do absorvedor de metamaterial ou antena desenvolvida para captação de energia de RF em vez do espectro visível. A captação de energia nestes artigos [21, 22] é incapaz de contribuir para a célula solar.

Pesquisa recente em retena de gama THz ou absorvedor de metamaterial inspirado em nano-retena ainda em experimento ou análise de laboratório por causa de várias restrições como correspondência de impedância, integração entre célula unitária e célula PV, alimentação de energia convertida da célula unitária para unidade PV, eficiência de conversão de fótons , perdas de transporte, etc. Além disso, as células fotovoltaicas podem degradar o desempenho com parâmetros ambientais e banda de absorção estreita no espectro visível. No entanto, antena ou absorvedor em nanoescala está sendo explorado pela adoção de design avançado e técnica de fabricação, como absorvedor plasmônico de estrutura omnidirecional [23] com eficiência de coleta de cerca de 38%, coletor eletromagnético de nantena de substrato flexível (NEC) [24] mostra 90% de absorção por superação óptica comportamento dos materiais e restrições de fabricação. Propriedades ópticas e elétricas únicas da estrutura em nanoescala [25,26,27,28,29] revelam uma variedade de percentagens de absorção com características dinâmicas do material. Embora a maior parte da estrutura sofisticada relatada, ainda seja um desafio para aplicar na energia solar eliminando algum absorvedor de metamaterial usado para a aplicação pretendida em uma base experimental [30, 31]. Com a antena convertendo a onda EM incidente em um sinal AC, o diodo pode retificá-la para a tensão DC utilizável. Mais de 90% da eficiência de conversão pode ser obtida nas frequências de rádio. No entanto, é tremendamente difícil estender a retícula ao regime óptico devido ao processo complicado e à resposta muito lenta da retificação baseada em diodo. Um trabalho raramente notado em uma conversão fotoelétrica direta sem diodo, conhecido como efeito Hall dinâmico (DHE), foi relatado por H. Barlow em 1954. Foi proposto produzir tensão DC através da ação conjunta de campos elétricos e magnéticos dinâmicos do obliquamente radiação incidente. Este efeito é teoricamente exibido por todos os materiais condutores e aplicável a todo o espectro EM de microondas para frequências visíveis com uma resposta rápida [32]. Assim, um campo potencial de aumento da eficiência do sistema de coleta de energia solar usando metamaterial ainda para explorar, analisar e reimplantar todas as técnicas disponíveis para agilizar a eficiência típica da célula solar no nível de aplicação.

Neste artigo, propomos um absorvedor de metamaterial SHPA em material tri-nanolayer com características DNG simuladas em regime visível e UV para captação de energia solar. Método analítico de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) seguido para formação de estrutura, análise e CST Microwave Studio (MWS) 2017 comercialmente disponível usado para simulação. Portanto, as condições de contorno padrão aplicadas para a análise de propagação de onda, bem como a polarização do plano TE, TM, também modelada para absorção de grande angular. Para absorvedor de metamaterial de nano-gama de estrutura otimizada, algoritmos genéticos (GAs) têm sido aplicados com sucesso em muitos projetos diferentes para obter um resultado positivo [33, 34]. Portanto, o absorvedor proposto adotou um algoritmo semelhante [33] para encontrar as características do material de índice negativo (NIM). A Figura 1c ilustra o domínio de design de célula unitária otimizado por GA, onde nano divide a forma Hexa e divide a grade 10 × 7. Dentro da grade, uma grade subdividida 3 × 3 representa a forma hexagonal. O mecanismo real é a interpolação de dados para obter a absorção aprimorada, variando a dimensão geométrica, preservando a forma da nanoestrutura. O objetivo deste GA é extrair o metamaterial SHPA para frequência visível com o máximo possível de características NIM. O parâmetro de espalhamento avaliado durante a simulação procedeu ao programa MATLAB para extrair caracterização e análise de propriedade relevante. A investigação numérica mostra mais de 95% de absorção em ambos os regimes de frequência com características significativas de metamateriais para canhotos. Assim, o SHPA proposto com validação fabricada adicional pode provar seu campo de aplicação potencial como captação de energia solar, processo de acumulação de fótons para uma célula solar ou amplificação fotônica.

SHPA nano-metaabsorvente. a Dimensão física. b Simulação configurada. c Ilustração de codificação otimizada para GA

Design Computacional e Metodologia

O absorvedor de metamaterial SHPA foi modelado como um substrato de camada dupla, arsenieto de gálio (GaAs) e níquel (ótico), e uma camada de patch desenhada em ouro (Au). Um GaAs de 80 nm de espessura com permissividade de perdas de 12,94 e Ni de 100 nm de espessura (Fig. 1a). A Tabela 1 mostra a dimensão de detalhes da estrutura da célula unitária. A espessura do patch SHPA é de 90 nm, e o filme de Au é insignificante para um campo magnético localizado, condutividade isotrópica de 4,1 × 10 ⁷ S / m [35]. De acordo com o 'tensor de condutividade anisotrópico Drude' [36], apenas o componente Z do campo magnético local considerado. Porque um componente ortogonal dos outros dois eixos é muito mais fraco do que o componente Z. Durante a simulação da condição de contorno periódica nas direções X e Y aplicando PEC (condutor elétrico perfeito) e PMC (condutor magnético perfeito) respectivamente na camada superior e inferior (Fig. 1b). A condutividade anisotrópica em células unitárias foi assegurada pela incorporação de um campo magnético localizado. Os parâmetros S de SHPA foram simulados, variando de 430 THz a 1000 THz com o tamanho do passo de 100 THz. O intervalo de reflexão (R), transmissão (T) e absorção (A) obtido por A =1-T-R onde | S ₁₁ | ² =R e | S ₂₁ | ² =T. Onda plana de campo elétrico definido por E = E _x Cos ( ωt + kz ) propagando-se em direção ao eixo Z, onde E _x é a amplitude do campo elétrico, ω é a frequência angular, t é o tempo e k é o número da onda.

Desenvolvimento de estrutura geométrica para metamaterial sugerido por Pendry [37] amplamente aplicável para faixa de microondas, mas o regime THz, ou seja, a frequência visível e óptica mostra as principais desvantagens na permeabilidade negativa e substrato de múltiplas camadas de propagação paralela. Assim, uma abordagem de projeto alternativo [38] metal-dielétrico-metal ilustra uma boa resposta como um dipolo magnético ressonante para propagação normal para a estrutura que demonstra permeabilidade negativa e a estrutura de camada simplificada é relativamente fácil de fabricar em nanoescala. Além disso, projetar absorvedor de metamaterial com propriedades DNG em três dimensões requer várias características na estrutura, como propagação para trás, efeito Doppler reverso, amplificação de onda evanescente, etc. Embora a análise teórica e as capacidades relativas ao espectro de frequência visível já tenham sido descritas pelos especialistas [39 , 40,41]. Assim, o MA baseado em características de DNG de nanoestrutura de filme fino está preocupado com ε negativo e μ e comumente empregado como uma matriz metálica fina periódica. Patch array metálico fino dilui plasma de elétrons livres descrito pelo modelo 'Drude', mas como consideramos a camada superior como com perdas, portanto
$$ \ varepsilon ={\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r \ left (1- \ frac {{\ omega_p} ^ 2} {\ omega ^ 2} \ right) \; \ mathrm {and} \; \ mu ={\ mu} _0 {\ mu} _r \ left (1- \ frac {M_m ^ 2} {\ omega ^ 2 - {\ omega} _m ^ 2 + j \ omega {\ gamma} _m} \ right) $ $ (1)
onde ω _p A redução da frequência do plasma depende da dimensão geométrica de uma camada fina, ω _m é a frequência de ressonância magnética, γ _m perdas, M _m determina a força da ressonância magnética.

Resultados, análise e discussão

Potência da célula unitária e propriedades dielétricas

De acordo com o método foto-quântico, uma certa quantidade de energia requer na condição de contorno da célula unitária, especialmente na direção de propagação, ângulo de polarização, fluxo de corrente de campo E e campo H, etc. Então, vamos analisar o potência que é necessária para se propagar em uma direção multicristalina [42]. As equações (2) e (3) são baseadas em um teorema do vetor de Poynting complexo inspirado em [42, 43]. O fato é que a energia recebida pela célula unitária seria a luz do sol, que é omnidirecional, e o fluxo de energia usando o absorvedor deve ir em uma direção para aumentar a eficiência. Assim, a potência da onda de propagação é apenas proporcional à parte real do vetor relacionada ao parâmetro de média de tempo. A energia estimulada em uma ou ambas as portas se propagará através da célula unitária. O resto da energia sairá por todas as portas (potência de saída). A energia aceita na célula unitária é convertida em perdas como propriedades de materiais dielétricos, remendos ou elementos concentrados considerados para nano-braços SHPA. Considerando a parte real da potência média complexa em Z -direção
$$ {P} _ {c \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ operatorname {Re} \ left \ {\ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} \ overrightarrow {E} \ times \ overrightarrow {H}. \ Mathrm {zdz} \ right \} $$ (2)
Que também é válido para (Z _-ve direção) para descrever o fluxo líquido de energia em um porto específico. O fator ½ na Eq. (2) está relacionado à média do tempo do campo no sentido horário. A parte imaginária da potência pode ser ignorada devido à não propagação da energia reativa ou armazenada e pode calcular a potência transmitida (P _T ) observando a potência de tempo médio ao longo de X e Y eixo respectivamente-
$$ {P} _ {T \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ frac {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _y. \ mathrm {dy}} {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _x. \ mathrm {dx}} $$ (3)
Da mesma forma, a potência aceita e de saída foi calculada usando a equação em [43] e plotada na Fig. 2, onde a potência associada (Fig. 2a) e a potência através da célula unitária (Fig. 2b) nano-metaabsorvente observada durante a simulação. Potência estimulada limitada a 0,5 watts em todo o espectro, enquanto a potência aceita e de saída em ambas as portas tem distribuição de potência vice-versa. No entanto, o fluxo de energia 3D mostra características incomuns devido à inércia do momento dipolo com a faixa de frequência operacional e estado de penetração de material não homogêneo. A partir de 430 THz, a maior parte do momento dipolar não é organizado, uma vez que a operação THz no estágio inicial tem efeito de polarização e constantemente tendo efeito dipolo adequado após 715 THz, que continuou até 1000 THz. Além disso, a propriedade do semicondutor do material GaAs, bem como as características ferromagnéticas do Ni, são responsáveis ​​por dissuadir o

Distribuição de energia no metaabsorvedor SHPA ( a ) Distribuição 2D ( b ) Fluxo de energia 3D através da célula unitária

fluxo de energia, mas felizmente não tão dominante. Propriedades dielétricas ( ε , μ , η ) extraído do parâmetro S para a investigação numérica para avaliar as propriedades do metamaterial. O absorvedor de célula unitária com três materiais diferentes tem características isoladas na propagação da onda EM, mas esta dimensão estrutural única com capacitância e indutância em cascata nos remendos superiores modifica as propriedades convencionais de recursos dielétricos de materiais individuais e descreve propriedades únicas. Agora, extraindo as propriedades dielétricas do método DRI [44] usado onde o coeficiente de transmissão (S ₂₁ ) e coeficiente de reflexão (S ₁₁ ) foi o parâmetro crítico.

A Figura 3 mostra todos os resultados simulados do nano-metaabsorvedor SHPA proposto. Figura 3a, magnitude b de S ₁₁ e S ₂₁ tem magnitude quase consistente tanto na parte real quanto na imaginária. Embora a resposta da faixa infravermelha tenha três pequenos pontos de ressonância consecutivos devido ao efeito da estrutura da profundidade da pele (δ), felizmente, ela desempenha um papel positivo na obtenção de permissividade negativa, permeabilidade e índice de refração. As Figuras 3c, d, e respectivamente mostram o valor real e imaginário dessas propriedades e garantem a existência do metamaterial no SHPA proposto. Além disso, campos evanescentes térmicos eletromagnéticos intensos [45] devem ser considerados devido à perspectiva de aplicação da captação de energia solar. Mencionado experimentalmente em [45, 46] que, durante a radiação de campo próximo, a condução de calor de dois materiais consecutivos aumenta gradualmente. Além disso, os polaritons de superfície também dominam as ondas evanescentes e de acordo com o "modelo Drude", permissividade e permeabilidade complexas determinadas por polarizações de onda dentro da célula unitária. A Figura 3 c, d, e apresenta propriedades dielétricas onde a operação de menor comprimento de onda de permissividade e permeabilidade é afetada por esta onda evanescente. Conseqüentemente, as características negativas da célula unitária proposta são significativamente visíveis e garantem uma boa absorção de EM. As características da linha de transmissão e VSWR (relação da onda estacionária de tensão) do nanoabsorvedor SHPA na Fig. 4 mostram claramente a quantidade de reflexão

Características do metamaterial SHPA. a S ₁₁ Resposta. b S ₂₁ Resposta. c Permissividade. d Permeabilidade. e Índice de refração sobre o espectro visível e infravermelho

O gráfico de Smith mostra VSWR da célula unitária SHPA ao longo do espectro em uma impedância normalizada

e desempenho da linha de transmissão. VSWR em 430 THz impedância era alta, e meio comprimento de onda da linha não tem uma boa correspondência da fonte para o lado da carga. Conseqüentemente, a quantidade de absorção do sinal EM também é baixa em uma frequência mais baixa, mas gradualmente, a impedância tentou corresponder (com a normalizada) tanto quanto possível resultante com absorção acima de 90% no espectro infravermelho (1000 THz). Como a célula unitária representa um elemento absorvente em vez de um elemento radiante; portanto, seu VSWR no lado da carga não tem um valor mais alto.

Análise de efeito de campo

A natureza EM da luz é uma onda eletromagnética transversal nas regiões visíveis. A luz que vem do sol é dividida em três espectros:infravermelho, visível e ultravioleta (UV). A distribuição de energia espectral da luz solar tem intensidade máxima de 1,5 eV em uma faixa visível semelhante à maioria dos materiais semicondutores, enquanto dois outros espectros produzem calor se absorvidos. Assim, considerando a propagação EM de luz tipicamente visível e as condições de contorno indicadas na Fig. 1b, o desempenho numérico do campo elétrico (campo E) e do campo magnético (campo H) é mostrado na Fig. 4. Embora as características da frequência de ressonância 445 THz estejam presentes em a figura, mas toda a largura de banda 430 ~ 650 THz têm uma distribuição semelhante do campo. Agora, as equações de onda vetorial, conforme mencionado em [47]
$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} {\ nabla} ^ 2 {E} _m - {\ gamma} ^ 2 {E} _m =0 \\ {} {\ nabla} ^ 2 {H} _m - {\ gamma} ^ 2 {H} _m =0 \ end {array}} \ Big \} $$ (4)
onde operador diferencial vetorial unidimensional∇varia ligeiramente com a variação de fase durante a propagação da onda EM, os componentes do campo elétrico e magnético são E _m e H _m respectivamente, a constante de propagação \ (\ gamma =\ sqrt {j \ omega \ mu \ left (\ sigma + j \ omega \ varejpsilon \ right)} \) é uma quantidade complexa relacionada à atenuação e desvio de fase da onda. Uma vez que a onda de luz visível tem propriedades de onda e partícula, a propagação da onda através do material da célula unitária mostra variação em termos de campo E e características do campo H. Além disso, γ têm uma relação não linear com as propriedades dielétricas conforme a frequência operacional aumenta gradualmente. A Figura 5 mostra cada nano divisão no componente de campo E significativo de SHPA (2,31 × 10 ⁶ V / m na escala logarítmica) existem na ressonância 550 THz. Embora sobre a região de frequência simulada (visível e UV), este forte campo E observado com ligeira variação na amplitude. A barra de patch horizontal e vertical (com quatro divisões) também contribui com o componente de campo com variação de amplitude (2,08 × 10 ⁵ ~ 2,31 × 10 ⁶ Escala logarítmica V / m). Durante uma análise transitória da célula unitária SHPA (cascata de dois estágios), dado o valor de capacitância e indutância de 1,37 × 10 ⁻¹⁷ nF e 3,87 × 10 ⁻¹⁴ nH acelera a operação do campo de frequência de ressonância. O campo H (Fig. 5b) tem um efeito semelhante da propagação EM ao longo da direção Z, e durante a penetração do meio não homogêneo, Eq. (5) torna-se funções de Z e em que a constante de permeabilidade magnética. Em seguida, a equação de onda correspondente é reduzida a uma "equação diferencial de Ricatti" [48]
$$ \ frac {d \ psi (z)} {dz} + {\ psi} ^ 2 (z) =- {k} ^ 2 {m} ^ 2 (z) $$ (5)
Efeito de campo em SHPA na ressonância 550 THz. a E-field. b Campo H

onde k é o número da onda e m (z) é um índice de refração complexo. Além disso, o retardo de fase da onda aumenta com a razão da velocidade da fase no espaço livre e no meio, que é outra contribuição significativa da célula unitária SHPA proposta para menor refletância e absorve mais energia da onda.

Polarização da onda de luz estudada na célula unitária proposta SHPA para explicar a viabilidade da célula unitária para captação de energia solar, uma vez que a onda polarizada através da superfície perde sua energia durante a propagação. A formulação hamiltoniana [49] mencionou que os elementos da matriz dipolo de transição variam para a polarização TE e TM nos diferentes ângulos incidentes da onda no material GaAs. O ângulo de polarização para o modo TE e TM aumenta o tamanho do passo de 40 ° (Fig. 6), e o ângulo de polarização do campo elétrico tem um efeito surpreendentemente dominante em comparação com a orientação do campo magnético. Durante o modo TE, em uma faixa inferior, cerca de 430-650 THz (690 nm a 460 nm) [50], para uma determinada diferença de combinação de substrato Ni-GaAs, a diferença entre as camadas de núcleo e revestimento cria um índice de refração variável que aumenta quando o comprimento de onda visível se aproxima do bandgap. Conseqüentemente, a flutuação da quantidade de absorção observada nesse espectro (Fig. 6a), enquanto a polarização TM mostra uma flutuação de tipo semelhante, apesar das mudanças do ângulo de polarização de 0 ° a 120 °. No modo TM, a incompatibilidade de fase geralmente se torna grande para comprimentos de onda mais longos. Além disso, a forma hexagonal tem um efeito significativo na absorção durante a variação do gap de divisão e da altura do remendo. A capacitância formada pelo patch gap dividido está variando enquanto a capacitância adjacente pela posição do patch é stand. A alteração do gap de divisão da Figura 6c de 5 nm para 25 nm e a redução do gap de divisão fornecem excelente absorção devido à capacitância substancial. Apesar da mudança de gap, a absorção permanece quase acima de 90% para 5 nm, e o aumento gradual do gap de divisão faz uma queda de absorção inicial em torno de 430–500 THz, mas no geral 95% de absorção observada durante a simulação. Em termos de altura SHPA (Fig. 6d), como a divisão do patch permanece 10 nm, a área de propagação do sinal EM coletivamente aumenta para incidência normal e oblíqua e, portanto, altura de divisão otimizada com maior valor com absorção. Para SHPA, altura ou espessura de 60 nm a 90 nm, absorção média de 85% a 88%, o que indica diretamente o otimizado para 90 nm.

Efeito de polarização na absorção. a Polarização TE. b Polarização TM e efeito de estrutura SHPA. c Split gap vs. absorção. d Altura vs. absorção

No entanto, um protótipo fabricado e resultados de medição de SHPA dariam suporte a dados simulados, que serão levados para a próxima fase do estudo. Além disso, um quadro comparativo descrito na Tabela 2 para entender a contribuição do nano-metaabsorvente proposto. Na Tabela 2, o artigo relatado [51] mostra boa eficiência, mas a frequência de operação e o desempenho de banda estreita o tornam incapaz de cumprir com a operação de frequência visível. Outro artigo [52, 53] reivindicou aplicações de colheita de energia solar, mas a largura de banda e o alcance operacional o tornam mais vulnerável em comparação com outros.

Conclusões

Neste artigo, um absorvedor de metamaterial hexagonal dividido é proposto usando nano-braços de Au six com base em GaAs e substrato de Ni para aplicações de captação de energia solar. A análise fotoquântica e a distribuição do fluxo de energia mostram matematicamente que a célula unitária proposta tem uma possibilidade significativa de conversão de fótons para aplicações fotovoltaicas ou células solares. O desempenho da célula unitária SHPA proposta foi analisado com base nas propriedades dielétricas, desempenho da linha de transmissão, distribuição de campo e potência, absorção em termos do estudo paramétrico. Todos os dados foram extraídos do parâmetro S através da simulação CST MWS, o que mostra que existem características DNG com absorção EM de banda ultra larga (mais de 95%) tanto no espectro de luz visível quanto no de UV. O patch unit Hexa otimizado é um gap de divisão de 10 nm e altura de 90 nm para a absorção declarada. A validação experimental do absorvedor proposto continuará a ser um candidato desejável em aplicações de captação de energia na faixa THz.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

CDN:

Nanoantena dipolo clássica

DRI:

Índice de refração direta

DNG:

Negativo duplo

EM:

Eletromagnética

FDTD:

Domínio do tempo de diferença finita

GA:

Algoritmo genético

PV:

Fotovoltaico

SHPA:

Matriz de patch hexagonal dividida

UV:

Ultravioleta

Oxidação catalítica sem solvente de álcool benzílico sobre bimetal de Au-Pd depositado em TiO2:comparação de rutilo, broquita e anatase Modulação Eficiente de Reflexão Ótica por Acoplamento de Transição Interband de Grafeno para Ressonância Magnética em Metamateriais