Estudo Numérico de um Absorvedor Solar Eficiente Composto por Nanopartículas de Metal

Resumo

Nós propomos e investigamos teoricamente um absorvedor de luz solar eficiente com base em uma estrutura de multicamadas consistindo de camadas de nanopartículas de tungstênio e SiO ₂ camadas. De acordo com nosso cálculo, absorbância média acima de 94% é alcançada na faixa de comprimento de onda entre 400 e 2500 nm para o absorvedor proposto. O excelente desempenho do absorvedor pode ser atribuído à ressonância de plasmon de superfície localizada, bem como à ressonância de Fabry-Perot entre as camadas metal-dielétrico-metal. Comparamos a eficiência de absorção do absorvedor de nanosfera de tungstênio com absorvedores consistindo de outras nanopartículas de metal e concluímos que o ferro pode ser um material alternativo para tungstênio em sistemas de energia solar por seu excelente desempenho de absorção e propriedades ópticas semelhantes às do tungstênio. Além disso, um absorvedor plano multicamadas é projetado para comparação e também provou ter um bom desempenho de absorção de luz solar.

Histórico

Os sistemas de energia solar têm atraído cada vez mais atenções nas últimas décadas devido ao consumo excessivo de fontes de energia tradicionais e à grave deterioração da situação ambiental. Em sistemas de energia solar, a energia solar pode ser convertida em eletricidade ou energia térmica para diferentes usos com menor poluição ao meio ambiente. No entanto, os atuais sistemas de energia solar, como sistemas termofotovoltaicos (TPV), sistemas de geração de vapor solar, sistemas de aquecimento solar de água, são ineficientes na conversão de energia e a eficiência aproximando-se de 20% em condições ópticas apropriadas foi teoricamente prevista em sistemas TPV [1] , que ainda está longe de ser amplamente produzida. Muitos absorvedores solares de alta eficiência são desenvolvidos para melhorar a eficiência de conversão de energia em tipos de sistemas de energia solar. Polaritons de plasmons de superfície (SPP), plasmons de superfície localizados (LSP) e ressonâncias magnéticas são frequentemente utilizados para realizar uma absorção quase perfeita nesses absorvedores. Como a luz solar tem uma ampla faixa de espectro (de 200 a 3000 nm), ela requer um espectro de absorção amplo o suficiente para que os absorvedores convertam a luz com eficácia. No entanto, o modo de ressonância única excitado em muitos absorvedores geralmente não pode resultar na absorção de luz de banda larga. A solução comum para resolver esse problema é projetar absorvedores com vários modos de ressonância. Por exemplo, sistemas de multicamadas, como estruturas planas de metal-dielétrico-metal (MDM) [2, 3], estruturas de multicamadas em pirâmide de MDM [4, 5] ou MDM com tipos de estruturas de grades [6], muitas vezes podem ter absorção de banda larga resultante de multirressonâncias excitadas entre camadas metal-dielétricas, desde que o número de camadas seja suficiente. Outras estruturas, como arranjos de estruturas absorventes menores [7, 8], ou estruturas com gradiente mudando em seus tamanhos [8], podem suportar diferentes modos de ressonância e também resultar em absorção de banda larga. A maioria desses projetos requer processos de fabricação bastante difíceis e a eficiência de absorção é muito crítica para a estrutura fabricada e o ambiente circundante, que habita fortemente suas aplicações.

Além disso, os materiais dos absorventes devem ser baratos, o que pode proporcionar a possibilidade de uma ampla produção. No entanto, muitos absorvedores relatados usam metais nobres em sua estrutura. A absorção quase perfeita pode freqüentemente ser alcançada nestes absorvedores dentro da faixa de luz visível, mas seu desempenho de absorção fora desta região é terrível [9,10,11,12,13]. Como há mais de 40% da energia da luz solar fora do espectro de luz visível, esses absorvedores geralmente podem ser ineficientes em sistemas de energia solar. Além disso, os pontos de fusão de metais nobres como ouro e prata são em torno de 1000 ° C, e eles podem derreter facilmente quando aplicados em um sistema de energia solar de alta temperatura, o que influencia seriamente a estabilidade e eficiência de um sistema de energia solar. Portanto, o material metálico comum usado no sistema de energia solar é o tungstênio. Em comparação com outros metais, os absorvedores de tungstênio geralmente têm um ponto de fusão relativamente alto, têm propriedades químicas estáveis e mostram excelente desempenho na absorção de luz solar de banda larga [14]. Essas vantagens tornam o tungstênio um papel indispensável no sistema de energia solar.

Neste trabalho, propomos um absorvedor de luz solar de banda larga baseado no projeto de nanopartículas-dielétricas multicamadas e na aplicação de tungstênio e ferro na estrutura. O artigo está organizado da seguinte forma. Primeiro, vamos apresentar o absorvedor 3-D e mostrar os resultados da simulação. Em seguida, ilustraremos o mecanismo de absorção do absorvedor e compararemos essa estrutura com a estrutura plana do MDM para obter uma visão mais aprofundada. Além disso, haverá uma discussão entre o absorvedor de nanopartículas de ferro e o absorvedor de nanopartículas de tungstênio quanto ao seu desempenho quando aplicado nesta estrutura.

Métodos

A estrutura básica do absorvedor de nanopartículas de metal (NPA) é representada na Fig. 1a. O absorvedor é composto de várias camadas de nanopartículas dielétricas de metal (MD). A camada de nanopartículas de metal consiste em nanopartículas estreitamente organizadas de matriz quadrada em rede cúbica incorporada em SiO ₂ camada. O diâmetro das nanopartículas é de 20 nm, e não há lacuna entre as nanopartículas vizinhas. A camada dielétrica na parte superior da estrutura é usada para proteger as partículas de metal de serem oxidadas. Uma célula unitária de NPA de camada única é representada graficamente na Fig. 1b. A camada dielétrica superior é para proteger o metal de oxidação e tem a mesma espessura que a camada dielétrica inferior. Assim, a partícula de metal é incorporada no meio de toda a camada dielétrica. O tungstênio é escolhido para ser a parte metálica da estrutura devido ao seu excelente desempenho no sistema TPV [14], e escolhemos a sílica para ser a parte dielétrica do absorvedor por seu relativo baixo índice de refração. O desenvolvimento de técnicas modernas de nanofabricação, como litografia por feixe de elétrons [15], moagem por feixe de íons focados [16], método de pulverização catódica de magnetrons [17] ou automontagem de coloides [18], torna possível a produção de estruturas em camadas de nanopartículas propostas em este artigo [19, 18, 20,21,22].

a Estrutura básica do absorvedor dielétrico de nanopartículas metálicas (NPA). Todas as camadas dielétricas têm uma espessura de hh (100 nm). O diâmetro dd de nanopartículas de metal é de 20 nm. b Uma célula unitária da estrutura NPA de camada única MD. Período P =Dd =20 nm

Quanto à simulação, usamos o método 3-D no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD). O software correspondente é o Lumerical FDTD. Os índices de refração do dielétrico (SiO ₂ ) e metal (tungstênio) são ambos adotados a partir dos dados do experimento [23, 24]. Como as camadas de nanopartículas de metal consistem em nanopartículas contínuas infinitas, escolhemos uma célula de nanopartícula de metal como modelo de simulação. Representamos graficamente uma célula unitária da estrutura NPA periódica de camada única na Fig. 1b. Uma luz TM normalmente incidente é incidente ao longo do y negativo direção com a polarização ao longo do x direção. Portanto, o período de simulação P é igual ao diâmetro da nanopartícula de metal (20 nm). O tamanho mínimo da malha é definido como 0,1 nm. A condição de contorno periódica é adotada para a célula unitária única na Fig. 1b. As camadas de correspondência perfeita (PML) são adotadas na parte inferior e superior da estrutura. A absorbância é calculada como A =1 - R - T , onde R é o reflexo e T é a transmissão. A espessura do substrato de metal é definida como 300 nm, que é muito maior do que a profundidade típica da pele para evitar a transmissão de luz. Assim, quase não há transmitância na faixa de frequência geral, e a absorbância do absorvedor pode ser calculada como A =1 - R .

Resultados e discussão

Para NPA de uma camada, o desempenho de absorção é representado na Fig. 2 variando com a espessura da camada dielétrica hh. Na Fig. 2, dois regimes distintos são observados, a saber, o regime da camada dielétrica delgada (hh <100 nm) e o regime da camada dielétrica espessa (hh> 100 nm). No regime de camada dielétrica delgada, a banda bem absorvente é ampliada com o aumento da espessura hh. No entanto, no regime de camada dielétrica espessa, há um mergulho absorvente aparecendo em uma faixa de comprimento de onda mais curta e a área de boa absorção encolhe conforme a camada dielétrica fica mais espessa. Escolhemos hh =100 nm em nosso estudo a seguir devido ao desempenho de boa absorção relativa ao longo da banda operacional e também devido a nenhum mergulho absorvente óbvio aparecendo na região visível.

a , b Desempenho de absorção para NPA de uma camada variando com a espessura dielétrica hh

Quando há apenas uma camada de MD na estrutura, absorbância acima de 80% é alcançada para a faixa de comprimento de onda de 400 a mais de 1600 nm, o que já excede muitos absorvedores solares relatados. Com mais camadas de MD aplicadas, o desempenho de absorção do absorvedor pode ser melhorado ainda mais. Representamos graficamente o desempenho de absorção de NPA com diferentes números de camadas de MD na Fig. 3. Com mais pares de MD aplicados à estrutura de NPA, a absorção em comprimentos de onda operacionais mais longos aumenta muito. Com quatro camadas de MD aplicadas, a absorvância do absorvedor correspondente pode quase exceder 80% para a faixa de comprimento de onda de 400 a 2500 nm, na qual a maior parte do espectro de luz solar está incluída. Com oito camadas de MD aplicadas ao NPA, uma absorbância acima de 90% é obtida na maior parte da faixa de comprimento de onda de 400 a 2500 nm. Com 12 pares de MD aplicados ao NPA, a absorção ultrapassa 90% em todo o comprimento de onda operacional.

a , b Absorvência da estrutura NPA com múltiplas camadas aplicadas. N -camada NPA significa que NPA com N Pares de MD

Para ilustrar ainda mais a relação entre o desempenho de absorção do absorvedor de NPA e o número de pares de MD na estrutura de NPA, calculamos a absorbância média de absorvedores de NPA variando com diferentes números de pares de MD. A absorção média pode ser calculada como
$$ \ overline {A} ={\ int} _ {\ lambda_2} ^ {\ lambda_1} A \ left (\ lambda \ right) d \ lambda / \ left ({\ lambda} _1 - {\ lambda} _2 \ direita) $$
onde λ ₁ e λ ₂ é 2500 e 400 nm, respectivamente, em nosso caso. A relação entre o número de camadas de MD e a absorção média é ilustrada na Fig. 4. Com o incremento dos pares de MD, a absorção média sobe de 68,5% (camada única de MD) para 95,4% (12 camadas de MD). Quando o número de pares de DM é superior a 8, o crescimento da absorção média parece atingir seu limite instintivo e será relativamente lento. De acordo com o cálculo, a absorbância média do NPA com mais de cinco camadas de MD atinge até 90% na faixa de comprimento de onda de 400 a 2500 nm. Este absorvedor excede muitos dos absorvedores relatados anteriormente em eficiência de absorção e largura de banda de absorção perfeita.

Absorvância média em função do número de camadas de MD

Como mencionamos antes, a estrutura NPA pode realizar alta absorção, mesmo com apenas um par de MD. Para compreender os mecanismos físicos responsáveis pela alta absorção da estrutura NPA de camada única, traçamos sua distribuição espacial do campo elétrico na Fig. 5. A Figura 5a é a distribuição da magnitude do campo elétrico da estrutura NPA de camada única no plano y =0. Com luz incidente polarizada ao longo de x direção, o campo elétrico é aprimorado e confinado em torno das nanopartículas. Tal perfil de campo sugere que a absorção pode ser atribuída à ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR) [25]. Para melhor mostrar isso, traçamos a distribuição transversal da magnitude do campo elétrico da partícula no z =Plano de 115 nm (marcado na Fig. 1b) na Fig. 5e. Claramente, o aumento do campo elétrico aparece em ambos os lados das partículas de metal ao longo da direção de polarização da luz incidente. Devido às nanopartículas estarem estreitamente organizadas, o LSPR em torno das partículas que se acoplam com o LSPR vizinho resulta em alta absorção da estrutura do NPA. O acoplamento do LSPR vizinho consome luz e resulta na alta absorção da estrutura NPA.

Distribuição da magnitude do campo elétrico (log ₁₀ | E / E ₀ |) de NPA de camada única de MD:Distribuição da magnitude do campo elétrico em y =0 plano no comprimento de onda a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm e d 1580 nm; e distribuição de magnitude do campo elétrico (| E / E ₀ |) em z =Plano de 115 nm no comprimento de onda de 905 nm

Em comparação com o NPA de par único de MD, o desempenho de absorção é muito melhorado na faixa de comprimento de onda mais longa para a estrutura de NPA com vários pares de MD. Para ilustrar esse fenômeno, plotamos a distribuição elétrica espacial da estrutura NPA de oito pares de MD na Fig. 6. Para luz de diferentes comprimentos de onda, as distribuições de magnitude do campo são diferentes. Para luz de comprimento de onda mais curto (Fig. 6a, b), ela é absorvida principalmente pelas camadas superiores de MD. A magnitude do campo elétrico e o confinamento do campo em torno da nanopartícula nas camadas inferiores da estrutura são fracos. Enquanto para comprimento de onda mais longo (Fig. 6c, d), o confinamento do campo elétrico existe obviamente em todas as camadas de MD e LSPR aparecendo fortemente em torno não apenas das camadas de partículas superiores, mas também das camadas de partículas inferiores. Isso significa que, para a estrutura NPA de múltiplos pares de MD, as camadas inferiores de MD não participam bem na absorção da luz incidente de comprimento de onda mais curto. Em vez disso, a luz incidente de comprimento de onda mais longo pode ser bem absorvida e transformada em LSPR nas camadas inferiores de MD. Assim, adicionar pares de MD à estrutura de NPA melhorará muito o desempenho de absorção da estrutura de NPA para luz de comprimento de onda mais longo, o que correspondeu bem à curva de absorção na Fig. 3a. Além disso, isso explica a razão pela qual as curvas de absorção para diferentes pares de MD na estrutura NPA na Fig. 3b aumentam aparentemente na faixa de comprimento de onda mais longa, mas se fundem em comprimento de onda mais curto com o incremento de pares de MD.

Distribuição de magnitude elétrica (log ₁₀ | E / E ₀ |) da estrutura NPA de oito pares de MD no y =0 avião em a 441 nm, b 638 nm, c 1580 nm e d 2500 nm. p1-p8 representam as oito partículas em uma célula unitária da estrutura NPA de oito pares de MD

Para obter uma visão mais profunda da estrutura do NPA, calculamos o desempenho de absorção de um absorvedor semelhante - FMA (absorvedor plano de MDM, plotado na Fig. 7). Os espectros de absorção em diferentes espessuras de camada de metal hd foram plotados na Fig. 8. A espessura da camada de SiO ₂ é definido como 100 nm, que é o mesmo que a estrutura NPA. Com camadas de metal mais espessas, a absorbância da estrutura FMA diminui. A absorbância acima de 90% é alcançada para a faixa de comprimento de onda de 400 a 1500 nm quando hd =10 nm. No entanto, quando a espessura da camada de metal hd é definida como 20 nm, que é a mesma que a espessura da camada de metal da estrutura NPA, a eficiência de absorção do FMA cai obviamente. Isso pode ser facilmente compreendido, porque quando as camadas de metal estão ficando mais espessas, a refletância da estrutura é mais óbvia e a absorbância diminui como resultado. A absorção seletiva de FMA é melhor do que NPA. Quando o comprimento de onda é superior a 2500 nm, a absorção é inferior a 20%. Embora existam muitos absorvedores de MDM propostos para a absorção de luz solar [26, 27,28,29,30,31,32], o desempenho de absorção de nosso FMA excede muitos outros absorvedores de MDM. A eficiência de absorção do FMA é alta e a largura de banda de absorção é bastante ampla. Outra vantagem do MDM é a seletividade absorvente do FMA. Quando o comprimento de onda é superior a 2500 nm, a absorção fica abaixo de 20%, o que o torna apto para ser aplicado em sistemas seletivos de energia solar, como os sistemas TPV. Além disso, a espessura das camadas de metal no FMA é de 10 nm, que é mais espessa do que o absorvedor de MDM nas refs. [31, 32] e torna mais fácil de ser fabricado. Todas essas vantagens são devidas à aplicação de tungstênio na estrutura do FMA em vez de metais nobres que são comumente usados em absorvedores de MDM.

Diagrama do absorvedor de multicamadas dielétrico de metal plano (FMA)

Espectros de absorção do FMA de oito pares de MD variando com a espessura do metal hd. A espessura da camada dielétrica hh é definida como 100 nm

Para os absorvedores de MDM, suas habilidades de absorção de luz são freqüentemente baseadas na ressonância de Fabry-Perot [2, 6, 33]. Ao adicionar mais pares de MD à estrutura, há um pico de absorção extra aparecendo no espectro de absorção para FMA devido à ressonância de Fabry-Perot. Para melhor mostrar isso, traçamos FMA de três camadas como um exemplo. A Figura 9 representa o desempenho de absorção de FMA de três camadas variando com a espessura dielétrica hh. Para ambas as Fig. 9a e Fig. 9b, existem três picos de absorção aparecendo no espectro, que resulta da ressonância de Fabry-Perot [2, 6]. O comprimento de onda de ressonância da ressonância de Fabry-Perot aumenta com a espessura da cavidade [2, 6]. Aqui, a banda de absorção se amplia para uma faixa de comprimento de onda mais longa com o incremento da espessura da camada dielétrica hh, e a banda de absorção tem um desvio para o vermelho na Fig. 9.

Absorvendo espectros do FMA de três camadas como a hd =20 nm e b hd =10 nm variando com a espessura dielétrica hh. Círculos pretos marcam picos de ressonância

Isso também acontece com a estrutura do NPA. Para o espectro de absorção na Fig. 2a, o pico de absorção aparecendo em torno de 1000 nm deve ser o resultado da ressonância de Febry-Perot. Quando há três pares de MD em NPA, também haverá três picos de absorção no espectro de absorção (mostrado na Fig. 10) como o espectro de absorção de FMA de três camadas na Fig. 9. No entanto, quando oito pares de MD são aplicados a NPA, os picos absorventes se fundem; existem apenas vários picos de absorção que podem ser observados em comprimentos de onda mais longos. Ao aumentar a espessura da camada dielétrica na Fig. 10, o espectro de absorção muda para o vermelho. Devido às semelhanças do espectro de absorção do FMA de três camadas e do NPA, podemos inferir que o excelente desempenho de absorção do NPA também deve resultar da ressonância de Fabry-Perot. Portanto, há ressonância LSPR e Fabry-Perot no NPA. O excelente desempenho de absorção deve ser o resultado da existência de ressonância LSPR e Fabry-Perot.

Os espectros de absorção variam com a espessura da camada de sílica hh em a a estrutura NPA de três camadas e b a estrutura NPA de oito camadas

O metal que escolhemos para este absorvedor é o tungstênio. Em nosso trabalho anterior [34], mostramos que o ferro pode ser um excelente candidato a ser aplicado nos absorvedores de luz solar. Conforme representado na Fig. 11, comparamos o desempenho de absorção da estrutura de nanopartículas de tungstênio com o desempenho de absorvedores que consistem em outras nanopartículas de metal sob a mesma estrutura. Uma eficiência de absorção de mais de 92% para a faixa de comprimento de onda de 400 a 2500 nm é alcançada para o absorvedor de ferro. A largura de banda de boa absorção do absorvedor de ferro (cerca de 2,1 μm) excede a largura de banda do absorvedor de tungstênio (cerca de 1,8 μm). A eficiência de absorção do absorvedor de ouro e do absorvedor de prata atinge apenas 90% em faixas estreitas de comprimento de onda. Seus desempenhos de absorção são muito piores do que os absorvedores de tungstênio e ferro sob esta estrutura. Esse resultado corresponde bem ao nosso trabalho anterior [34], que também mostra que o absorvedor de ferro freqüentemente tem melhor desempenho de absorção em relação aos metais nobres devido à condição de combinação entre a impendência do absorvedor de ferro e a impendência do espaço livre. Os metais nobres são bem conhecidos por seu excelente desempenho de absorção da luz visível no campo da absorção da luz solar. No entanto, eles geralmente não são usados no sistema TPV como um absorvedor ou emissor, porque eles são incapazes de absorver bem a luz fora da faixa de luz visível. Além disso, seus pontos de fusão são relativamente baixos (em torno de 1000 ° C), o que dificulta seriamente sua aplicação em sistemas de energia solar.

Absorção das estruturas NPA de oito camadas com diferentes metais aplicados

Como a estrutura de tungstênio NPA, o espectro de absorção da estrutura de ferro NPA também tem um desvio para o vermelho com o aumento da espessura da camada de sílica hh (plotado na Fig. 12). A eficiência de absorção é quase superior a 90% para toda a banda de onda operacional, exceto uma queda de absorção de uma faixa de comprimento de onda de 100 nm que aparece quando a espessura da camada hh é superior a 100 nm. Comparado com a Fig. 7, o desempenho geral de absorção da estrutura de ferro NPA excede o da estrutura de tungstênio NPA. A absorção média de nanopartículas de ferro (94,88%) e nanopartículas de tungstênio (94,09%) supera a das nanopartículas de ouro (64%) e prata (28,4%). O excelente desempenho de absorção torna o ferro um material alternativo promissor para o tungstênio no sistema de energia solar. Além disso, o ferro é mais econômico do que o tungstênio. Seu ponto de fusão é em torno de 1500 ° C e é superior ao do metal nobre. Para o tungstênio, a estabilidade química é uma das propriedades cruciais em sistemas solares. A liga de ferro e tungstênio pode ter as vantagens dos dois metais. Além disso, comparamos seus índices reflexivos na Fig. 13. Os dados de ouro e prata são adotados da referência [35]. Isso mostra que as propriedades ópticas do tungstênio e do ferro são muito semelhantes, especialmente para a parte imaginária de seus índices reflexivos, o que resulta em seus desempenhos de absorção semelhantes na estrutura NPA.

Espectros de absorção variando com a espessura da camada hh na estrutura de Fe-NPA de oito camadas

Comparando do a parte real do índice de refração e b a parte imaginária do índice de refração de metais comumente usados

Para a estrutura NPA, a fabricação de tais pequenas partículas uniformes pode ser difícil. Portanto, a robustez do poço é necessária para a estrutura proposta. Calculamos o desempenho de absorção de estruturas que consistem em diferentes formas e tamanhos na Fig. 14a, b. Para diferentes tamanhos de nanopartículas, a absorção da estrutura permanece acima de 90% em quase o comprimento de onda operacional. Quando mudamos as nanopartículas esféricas em nanopartículas elipsóides na estrutura do NPA, a absorção diminui (mostrado na Fig. 4b). Para condições E1 e E2 em que o campo elétrico está ao longo do eixo principal das partículas do elipsóide, a absorção cai principalmente na faixa de comprimento de onda acima de 1700 nm e a absorção no comprimento de onda mais curto onde a maior parte da energia solar é distribuída quase permanece a mesma . As absorções médias nestes dois casos são superiores a 90%. Quando o campo elétrico está ao longo do eixo menor das partículas do elipsóide, a absorção muda dramaticamente. Portanto, a direção do eixo maior da nanopartícula em forma de elipsóide deve ser mantida para coincidir com a direção do campo elétrico durante a fabricação.

a Espectro de absorção da estrutura NPA variando com o tamanho das nanopartículas. b Espectro de absorção da estrutura do NPA para nanopartículas de diferentes formas. S esfera, E elipsóide, a o semidiâmetro do eixo maior do elipsóide, b é o semidiâmetro do eixo menor do elipsóide. Para E1 e E2, o campo elétrico é ao longo da direção do eixo maior. Para E3, o campo elétrico está ao longo da direção do eixo menor

Além disso, a constante de amortecimento da nanopartícula de tungstênio é frequentemente maior do que o tungstênio em massa devido ao espalhamento da superfície e efeitos de contorno de grão. De acordo com os dados da referência [36], nós recalculamos a absorção da estrutura usando o aumento da constante de amortecimento do tungstênio. O resultado é plotado na Fig. 15. Quando a constante de amortecimento do tungstênio aumenta, a absorção no comprimento de onda mais curto (de 400 a 1700 nm) permanece quase inalterada, enquanto a absorção no comprimento de onda mais longo (de 1700 a 2500 nm) aumenta. Isso pode ser atribuído ao fato de que quando a constante de amortecimento do tungstênio na região do infravermelho aumenta, a parte imaginária de sua permissividade na região do infravermelho aumentará [36] e resultará no incremento da absorção. A mudança da permissividade do tungstênio é mais óbvia em comprimentos de onda mais longos do que em comprimentos de onda mais curtos. Portanto, a absorção calculada com o aumento da constante de amortecimento em comprimentos de onda mais longos muda um pouco enquanto no comprimento de onda mais curto permanece quase inalterada.

Absorção usando diferentes constantes de amortecimento de tungstênio

Até agora, discutimos a estrutura NPA e a estrutura FMA e seus desempenhos de absorção e mecanismo de absorção e os metais que podem ser aplicados neles para alcançar alta absorção. No entanto, as aplicações desses absorventes podem ser diferentes. No sistema TPV, as características de absorção bem seletivas são frequentemente necessárias para reduzir a emissão térmica do absorvedor solar. Assim, as estruturas NPA multicamadas cujos desempenhos de absorção são plotados na Fig. 3b não são adequadas para serem usadas no sistema TPV devido à alta emissão térmica acima de 2500 nm. No entanto, a estrutura NPA com algumas camadas MD (absorvendo espectro plotado na Fig. 3a) e estrutura FMA (absorvendo espectro plotado na Fig. 9) pode ser usada no sistema TPV devido à baixa emissão térmica acima de 2500 nm. Para estruturas NPA multicamadas, eles podem ser úteis em outros sistemas de energia solar nos quais desempenhos de absorção bem seletivos não são necessários, como geração de vapor solar [37], sistemas de tratamento de águas residuais e sistemas de aquecimento de água.

Conclusões

Em resumo, propusemos um absorvedor de banda larga altamente eficiente que consiste em camadas de nanopartículas de tungstênio e SiO ₂ camadas no topo de um substrato de metal. Com oito camadas de MD aplicadas, o absorvedor pode ter uma absorvância acima de 90% para a maior parte da faixa de comprimento de onda de 400 a 2500 nm. A eficiência de absorção deste absorvedor excede a eficiência de absorção de muitos outros absorvedores de luz solar, que fornecem muitas possibilidades para o absorvedor ser aplicado em sistemas de energia solar, como geração de vapor solar, aquecimento solar de água e sistemas de tratamento de águas residuais. Além disso, comparamos o absorvedor NPA com FMA e descobrimos que o excelente desempenho de absorção do absorvedor NPA resulta da ressonância LSPR e Fabry-Peort. Além disso, comparamos o desempenho de absorção de vários absorvedores de nanopartículas de metal comuns sob os mesmos parâmetros de estrutura. Os resultados mostram que o ferro pode ser um material candidato promissor para tungstênio em absorvedor solar. Todos esses resultados de simulação ajudam a projetar novas células absorventes de luz solar em sistemas de energia solar, e os absorvedores que propomos são promissores para serem aplicados em aplicações reais.

Abreviações

FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
FMA:: Absorvente multicamada dielétrico de metal plano
LSP:: Plasmão de superfície localizado
NPA:: Absorvente de nanopartículas
TPV:: Thermo-photovoltaic

Propriedades de Lasing e Transporte de Poly [(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorenylene) -alt-co- (2-methoxy- 5- (2-etilhexiloxi) -1,4-fenileno)] (POFP) para a aplicação de lasers sólidos orgânicos b… Análise de mapeamento Raman de micro-ressonadores de silício integrados com grafeno

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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