Nano-Metaabsorvedor de Banda Ultra-Larga Usando Array de Patch Hexagonal Dividido para Captura Superior de Energia Solar Visível e UV

Resumo

Energia solar é uma das fontes ambientais onde energia pode ser captada facilmente sem poluição. Captura intencional pela célula solar para recuperar energia requer técnica de ponta para acelerar absorção de energia a fluxo de elétrons para produzir mais eletricidade. Estruturas de célula solar foram pesquisadas para melhorar eficiência de absorção, embora a maioria só possa absorver eficientemente com tolerância de ângulo estreito e sensibilidade à polarização. Assim, há forte demanda por absorção de banda larga com absorvedor de sensibilidade mínima à polarização, necessário para colheita eficaz de energia solar. Neste artigo, propomos novo formato de absorvedor metamaterial Split Hexagonal Patch Array (SHPA) com características Duplo-negativo (DNG), que fornecerá banda de absorção larga com baixa sensibilidade à polarização para colheita de energia do espectro solar. O novo formato SHPA proposto consiste em seis nano-braços com uma única divisão vertical que com simetria de ponta de flecha. Este braço direcionará ressonância eletromagnética (EM) para adquirir permissividade e permeabilidade negativas absolutas, garantindo propriedade DNG. Características deste metamaterial DNG analisadas baseadas no método quântico de fotoconversão para máxima absorção de fótons. Características simétricas da estrutura proposta permitem ao absorvedor mostrar insensibilidade à polarização e capacidades de absorção de amplo ângulo de incidência. SHPA simulado mostra capacidade de absorção de onda eletromagnética do espectro visível e ultravioleta (UV) de mais de 95%. Método quântico dá vantagem na eficiência de conversão do absorvedor, e análise numérica da estrutura SHPA proposta fornece qualidade de absorvância para colheita de energia regime THz através de célula solar ou aplicação fotônica.

Introdução

Engenharia de materiais contribui para história humana de desenvolvimento desde tempos antigos, e 'metamaterial' será um dos avanços vitais em breve. 'Meta', denotando mudança no gênero de material, mostra características dielétricas únicas como permissividade e permeabilidade negativas, fácil de fabricar. Diferentes potencialidades de aplicação em metamaterial tornam vários pesquisadores globalmente mais curiosos para inovação benchmark em seus respectivos campos. Conversão de energia fotônica de faixa de frequência visível e incorporá-la em colheita de energia, especificamente pesquisa baseada em célula solar, é uma das áreas promissoras em absorvedor metamaterial. Espectro visível ou ondas de luz faixa UV nos cercam sempre sem problemas severos e quantidade abundante de energia. Entre todas técnicas estabelecidas de utilização, tecnologias fotovoltaicas (FV) são amplamente aplicadas a aplicação de campo, e nos últimos anos, método state-of-the-art foi proposto para melhorar performance para fazer equilíbrio em futuros desafios energia verde. Por exemplo, células mono, multi-cristalinas e policristalinas para melhoria eficiência, desenvolvimento FV usando perovskitas haleto metálico, orgânicas e ponto quântico FV para melhoria eficiência conversão potência, qualidade optoeletrônica de materiais FV relevantes que afetam potência de saída e assim por diante. Além disso, método fabricação material como deposição sequencial camada perovskita FV alta qualidade, perovskitas FV revestidas e impressas, reciclagem fóton ou algoritmo baseado em analogia centróide no ponto potência máximo etc. são focados para melhorar eficiência célula solar.

Além disso, campo potencial colheita energia solar usando combinação antena e retificador (diodo) conhecido como 'retênio' também explorado para melhorar eficiência célula FV típica. Retênios estudados principalmente para transmissão potência baseada micro-ondas já que altamente eficiente convertendo energia micro-ondas eletricidade. Por exemplo, protótipo patenteado usando nanotecnologia focado converter luz eletricidade com eficiência aumentada e atualmente compatível com célula solar tradicional. Procedimento experimental mostra retênio colocado sob módulo FV deu saída 380 a 480 W/m² com módulo combinado aumentado 10–20% a 38–40%. Devido restrição técnica nanofabricação, maioria protótipo opera faixa infravermelho distante em vez espectro visível. Pode-se esperar desenvolvimento nanotecnologia possa expeditar esta abordagem. Assim, artigos recentes adotaram estratégia diversa colheita energia solar, como hibridização energia RF-solar por antena transparente multiporta alcançou 72,4% eficiência com 53,2% eficiência conversão RF-DC. Dipolo nanoantena evolutivo (EDN) fabricado por litografia e-beam dedicado otimização eficiência colheita onde eficiência aumentou 30% a 40% comparado dipolo nanoantena clássico (CDN). Metal-isolante-metal (MIM) integrado com túnel SiO₂ mostra eficiência conversão mais 90%, Zhang e Yi propuseram abordagem similar usando nano-retênio formato laço-gravata alegaram eficiência conversão 73,38%. Similarmente, retênio inspirado metamaterial com diodo Schottky embutido ressonador 'Fabry-Perot (FP)' demonstrou alto fator Q e 16 vezes melhoria performance, retênio óptico inspirado metamaterial desenvolvido por modelo semi-clássico afirma alta-eficiência, baixo-custo célula solar. Não só isso, várias variações características metamaterial exploradas como metamaterial comutável com bifuncionalidade absorção, metasuperfície baseada dióxido vanádio, metasuperfície inspirada germânio para sensoriamento sintonizável. Além ideia convencional colheita energia, maioria absorvedor metamaterial ou antena desenvolvido para colheita energia RF em vez espectro visível. Colheita energia nestes artigos incapaz contribuir célula solar.

Pesquisa recente faixa THz retênio ou absorvedor metamaterial inspirado nano-retênio ainda sob experimento laboratório ou análise devido várias restrições como correspondência impedância, integração entre célula unidade e célula FV, alimentação energia convertida célula unidade para unidade FV, eficiência conversão fóton, perdas transporte, etc. Além disso, células FV provavelmente degradam performance parâmetros ambientais e banda absorção estreita espectro visível. No entanto, nanoantena ou absorvedor nanoescala sendo explorado adotando técnica avançada design e fabricação como absorvedor plasmonico omnidirecional com eficiência colheita ~38%, coletor eletromagnético nanoantena substrato flexível (NEC) mostra 90% absorção superando comportamento óptico materiais e restrições fabricação. Propriedades ópticas e elétricas únicas estrutura nanoescala revelam variedade porcentagens absorção com características materiais dinâmicas. Embora maioria estrutura sofisticada relatada ainda desafiador aplicar colheita energia solar alguns absorvedor metamaterial usado aplicação pretendida base experimental. Com antena convertendo onda EM incidente em sinal AC, diodo pode retificá-lo tensão DC utilizável. Mais 90% eficiência conversão obtida frequências rádio. Contudo, tremendamente difícil estender retênio regime óptico devido processo complicado e resposta far too slow diodo-baseado retificação. Trabalho raramente notado conversão fotoelétrica direta sem diodo, conhecido como efeito Hall dinâmico (DHE), relatado por H. Barlow 1954. Propôs produzir tensão DC via ação conjunta campos elétrico e magnético dinâmicos radiação incidente obliquamente. Este efeito teoricamente exibido por todos materiais condutores e aplicável todo espectro EM micro-ondas frequências visíveis com resposta rápida. Assim, campo potencial sistema colheita energia solar melhoria eficiência usando metamaterial ainda explorar, analisar, e redimensionar todas técnicas disponíveis expedite eficiência típica célula solar nível aplicação.

Neste artigo, propomos absorvedor metamaterial SHPA em material tri-nanocamada com características DNG simulado tanto regime visível e UV para colheita energia solar. Método analítico diferenças finitas domínio tempo (FDTD) seguido para formação estrutura, análise, e comercialmente disponível CST Microwave Studio (MWS) 2017 usado para simulação. Portanto, condições contorno padrão aplicadas para análise propagação onda bem como polarização plano TE, TM também modeladas para absorção amplo ângulo. Para estrutura otimizada nano-escala absorvedor metamaterial, algoritmos genéticos (AGs) aplicados com sucesso muitos designs diferentes obter resultado positivo. Portanto, absorvedor proposto adotou algoritmo similar para encontrar características material índice negativo (NIM). Figura 1c ilustra domínio design célula unidade otimizada AG onde nano formato Hexa dividido e grade 10 × 7 dividida. Dentro grade, subgrade 3 × 3 subdividida representa formato hexagonal. Mecanismo real interpolação dados obter absorção melhorada variando dimensão geométrica preservando formato nanoestrutura. Objetivo AG extrair metamaterial SHPA frequência visível com máximo possível características NIM. Parâmetro espalhamento avaliado durante simulação procedido programa MATLAB extrair caracterização e análise propriedade relevante. Investigação numérica mostra mais 95% absorção ambos regime frequência com significativa características metamaterial canhoto. Assim, SHPA proposto com validação fabricada adicional pode provar seu campo aplicação potencial como colheita energia solar, processo acumulação fóton para célula solar, ou amplificação fotônica.

Nano-metaabsorvedor SHPA. a Dimensão física. b Configuração simulação. c Ilustração codificação otimizada AG

Design Computacional e Metodologia

Absorvedor metamaterial SHPA modelado como substrato dupla-camada, Arsenieto gálio (GaAs), e Níquel (óptico), e camada patch desenhada em Ouro (Au). GaAs 80-nm-espesso com permissividade lossy 12,94 e Ni 100-nm-espesso (Fig. 1a). Tabela 1 mostra dimensão detalhe estrutura célula unidade. Espessura patch SHPA 90 nm, e filme Au negligenciável para campo magnético localizado, condutividade isotrópica 4,1 × 10⁷ S/m. Segundo 'tensor condutividade Drude anisotrópico', apenas componente Z campo magnético local considerado. Porque componente ortogonal outros dois eixos muito mais fraco que componente Z. Durante simulação condição contorno periódica direção X e Y aplicando PEC (condutor elétrico perfeito) e PMC (condutor magnético perfeito) respectivamente camada topo e fundo (Fig. 1b). Condutividade anisotrópica células unidade assegurada incorporando campo magnético localizado. Parâmetros S SHPA simulados, variando 430 THz a 1000 THz com tamanho passo 100 THz. Reflexão (R), transmissão (T), e absorção (A) faixa obtida por A =1-T-R onde |S₁₁|² = R e |S₂₁|² = T. Onda plana campo elétrico definido porE = E_xCos(ωt + kz) propagando direção eixo Z onde E_x amplitude campo elétrico, ω frequência angular, t tempo, e k número onda.

Desenvolvimento estrutura geométrica metamaterial sugerido por Pendry amplamente aplicável faixa micro-ondas mas regime THz, i.e., frequência visível e óptica mostra grandes desvantagens permeabilidade negativa e propagação paralela substrato multicamada. Assim, abordagem design alternativa metal-dielétrico-metal ilustra boa resposta como dipolo magnético ressonante para propagação normal à estrutura que demonstra permeabilidade negativa e estrutura camada simplificada relativamente fácil fabricar nanoescala. Além disso, projetar absorvedor metamaterial com propriedades DNG em três dimensões requer várias características estrutura como propagação reversa, efeito Doppler reverso, amplificação onda evanescente, etc. Embora análise teórica e capacidades sobre espectro frequência visível já descrito por especialistas. Assim, nanoestrutura filme fino características DNG-baseada MA preocupada com negativo ε e μ e comumente empregada como array periódico metálico fino. Array patch metálico fino dilui plasma elétron-livre descrito por modelo 'Drude' mas como consideramos camada superior lossy logo

$$ \varepsilon ={\varepsilon}_0{\varepsilon}_r\left(1-\frac{{\omega_p}^2}{\omega^2}\right)\;\mathrm{e}\;\mu ={\mu}_0{\mu}_r\left(1-\frac{M_m^2}{\omega^2-{\omega}_m^2+ j\omega {\gamma}_m}\right) $$ (1)

onde ω_p frequência plasma reduzida depende dimensão geométrica camada fina, ω_m frequência ressonância magnética, γ_m perdas, M_m determina força ressonância magnética.

Resultados, Análise e Discussão

Potência Célula Unidade e Propriedades Dielétricas

Segundo método foto-quântico, certa quantidade potência requer na condição contorno célula unidade, especialmente direção propagação, ângulo polarização, fluxo corrente E-field e H-field, etc. Vamos analisar potência requerida propagar direção multi-cristalina. Equações (2) e (3) baseadas teorema vetor Poynting complexo inspirado por. Fato é potência recebida célula unidade seria luz solar, que é omnidirecional, e fluxo potência usando absorvedor deve ir direção melhorar eficiência. Assim, potência onda propagante apenas proporcional parte real vetor relacionado parâmetro tempo-médio. Potência estimulada um ou ambos portos propagará através célula unidade. Resto energia deixará através todos portos (potência saída). Potência aceita célula unidade convertida em perdas como propriedades materiais dielétricos, patches, ou elementos concentrados considerados para nano-braços SHPA. Considerando parte real potência média complexa direção Z-direção

$$ {P}_{c\left(\mathrm{méd}.\right)}=\operatorname{Re}\left\{\frac{1}{2}\underset{A}{\int}\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{H}.\mathrm{zdz}\right\} $$ (2)

Que também válido para (Z_-ve direção) descrever fluxo líquido energia porto específico. Fator ½ Eq. (2) relacionado média tempo campo horário. Parte imaginária potência pode ignorada devido energia reativa não-propagante ou armazenada e pode calcular potência transmitida (P_T) observando potência média tempo ao longo eixos X e Y respectivamente-

$$ {P}_{T\left(\mathrm{méd}.\right)}=\frac{\operatorname{Re}\frac{1}{2}\underset{A}{\int }{P}_y.\mathrm{dy}}{\operatorname{Re}\frac{1}{2}\underset{A}{\int }{P}_x.\mathrm{dx}} $$ (3)

Similarmente, potência aceita e saída calculada usando equação em e plotada Fig. 2 onde potência associada (Fig. 2a) e potência através célula unidade (Fig. 2b) nano-metaabsorvedor observados durante simulação. Potência estimulada limitada 0,5 watts todo espectro, enquanto potência aceita e saída ambos portos tem distribuição potência vice versa. Contudo, fluxo potência 3D mostra características incomuns devido inércia momento dipolo com faixa frequência operacional e estado penetração material não-homogêneo. Começando 430 THz, maioria momento dipolo não organizado desde operação THz estágio inicial tem efeito polarização e firmemente tendo efeito dipolo próprio aft 715 THz, que continuou até 1000 THz. Além, propriedade semicondutor material GaAs, bem como características ferromagnéticas Ni, responsáveis deter

Distribuição potência SHPA metaabsorvedor (a) distribuição 2D (b) fluxo potência 3D através célula unidade

fluxo potência mas felizmente não tão dominando. Propriedades dielétricas (ε, μ, η) extraídas parâmetro S para investigação numérica avaliar propriedades metamaterial. Célula unidade absorvedor três diferentes materiais têm características isoladas propagação onda EM, mas esta dimensão estrutural única com capacitância e indutância cascateada top patches modificam propriedades dielétricas convencionais material individual e representam propriedades únicas. Agora, extraindo propriedades dielétricas método DRI usado onde coeficiente transmissão (S₂₁) e coeficiente reflexão (S₁₁) parâmetro crítico.

Figura 3 mostra todos resultados simulados proposto SHPA nano-metaabsorvedor. Figura 3a,b magnitude S₁₁ e S₂₁ tem magnitude quase consistente tanto parte real e imaginária. Embora faixa infravermelho resposta três pontos ressonância pequenos consecutivos porque efeito profundidade pele (δ) estrutura, felizmente joga papel positivo obtendo permissividade negativa, permeabilidade, e índice refração. Figura 3c,d,e respectivamente mostra valor real e imaginário estas propriedades e asseguram existência metamaterial proposto SHPA. Além, intensos campos eletromagnéticos evanescentes térmicos necessários considerado devido perspectiva aplicação colheita energia solar. Experimentalmente mencionado em que, durante radiação campo próximo, duas condutas calor material consecutivas aumentam gradualmente. Além, polaritons superfície também dominam ondas evanescentes e segundo modelo 'Drude', permissividade e permeabilidade complexas determinadas polarizações onda dentro célula unidade. Figura 3 c,d,e apresenta propriedades dielétricas onde operação menor comprimento onda permissividade e permeabilidade afetadas esta onda evanescente. Logo, características negativas célula unidade proposto significativamente visíveis e asseguram boa absorção EM. Características linha transmissão e VSWR (razão onda estacionária tensão) SHPA nano-absorvedor Fig. 4 claramente mostram quantidade reflexão

Características metamaterial SHPA. a Resposta S₁₁. b Resposta S₂₁. c Permissividade. d Permeabilidade. e Índice refração sobre espectro visível e infravermelho

Carta Smith mostra VSWR célula unidade SHPA sobre espectro impedância normalizada

e performance linha transmissão. VSWR a 430 THz impedância alta, e meia-onda linha não tem boa correspondência fonte lado carga. Logo, quantidade absorção sinal EM também baixa frequência menor, mas gradualmente impedância tentou combinar (com normalizada) tanto quanto possível resultante com acima 90% absorção espectro infravermelho (1000 THz). Como célula unidade representa elemento absorvente em vez elemento radiante; logo, seu VSWR lado carga não tem valor mais alto.

Análise Efeito Campo

Natureza EM luz onda eletromagnética transversa regiões visíveis. Luz vindo sol dividida três espectros: infravermelho, visível, e ultravioleta (UV). Distribuição energia espectral luz solar tem intensidade máxima 1,5 eV faixa visível similar maioria material semicondutor enquanto dois outros espectros produzem calor se absorvidos. Assim, considerando tipicamente propagação EM luz visível e condições contorno declaradas Fig. 1b, campo elétrico (E-field) e campo magnético (H-field) performance numérica mostrada Fig. 4. Embora frequência ressonância 445 THz características presente figura mas toda largura banda 430~650 THz tem distribuição similar campo. Agora, equações vetoriais onda mencionadas em

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{\nabla}^2{E}_m-{\gamma}^2{E}_m=0\\ {}{\nabla}^2{H}_m-{\gamma}^2{H}_m=0\end{array}}\Big\} $$ (4)

onde operador diferencial vetorial unidimensional∇varia ligeiramente com variação fase durante propagação onda EM, componentes campo elétrico e magnético sãoE_me H_m respectivamente, constante propagação \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \)quantidade complexa relacionada atenuação e desvio fase onda. Desde onda luz visível tem ambas propriedade onda e partícula, propagação onda através material célula unidade mostra variação termos E-field e H-field características. Além, γ tem relação não-linear com propriedades dielétricas como frequência operacional gradualmente aumenta. Figura 5 mostra cada nano divisão SHPA componente E-field significativo (2,31 × 10⁶ V/m em escala log) existe ressonância 550 THz. Embora sobre região frequência simulada (visível e UV), este forte E-field observado com ligeira variação amplitude. Barras patch horizontal e vertical (com quatro divisões) também contribuem componente campo com variação amplitude (2,08 × 10⁵~2,31 × 10⁶ V/m escala log). Durante análise transiente célula unidade SHPA (cascata dois-estágios) dada capacitância e indutância valor 1,37 × 10⁻¹⁷ nF e 3,87 × 10⁻¹⁴ nH aceleram operação campo frequência ressonância. H-field (Fig. 5b) tem efeito similar propagação EM direção Z-direção, e durante penetração meio inhomogêneo, Eq. (5) torna funções Z e em qual permeabilidade magnética constante. Então equação onda correspondente reduzida a "equação diferencial Ricatti"

$$ \frac{d\psi (z)}{d z}+{\psi}^2(z)=-{k}^2{m}^2(z) $$ (5)

Efeito campo SHPA ressonância 550 THz. a E-field. b H-field

onde k número onda, e m(z) índice refração complexo. Além, retardamento fase onda aumenta com razão velocidade fase espaço livre e meio, que outra contribuição significativa célula unidade proposta SHPA para menor reflectância e absorve mais energia onda.

Polarização onda luz estudada célula unidade proposta SHPA explicar viabilidade célula unidade colheita energia solar desde onda polarizada através superfície perde energia durante propagação. Formulação Hamiltoniana mencionou elementos matriz dipolo transição variam para polarização TE e TM em diferentes ângulos incidência onda material GaAs. Ângulo polarização ambos modo TE e TM aumentam tamanho passo 40° (Fig. 6), e ângulo polarização campo elétrico tem efeito surpreendentemente dominador comparado orientação campo magnético. Durante modo TE, faixa menor, aproximadamente 430–650 THz (690 nm a 460 nm), para dada diferença combinação substrato Ni-GaAs, diferença entre camadas núcleo e revestimento faz índice refração variar que aumenta quando comprimento onda visível aproxima banda proibida. Logo, flutuação quantidade absorção observada naquele espectro (Fig. 6a), enquanto polarização TM mostra tipo similar flutuação apesar ângulo polarização muda 0° a 120°. Modo TM, desfasamento fase geralmente torna grande comprimentos onda maiores. Além, formato hexagonal tem efeito significativo absorção durante variação gap divisão e altura patch. Capacitância formada gap divisão patch varia enquanto capacitância adjacente posição patch mantém. Figura 6c gap divisão muda 5 nm a 25 nm e menor gap divisão dá excelente absorção por causa capacitância substancial. Apesar mudança gap, absorção quase permanece acima 90% para 5 nm, e aumento gradual gap divisão faz queda absorção inicial around 430–500 THz mas overall 95% absorção observada durante simulação. Em termos altura SHPA (Fig. 6d), como patch divisão permanece 10 nm, área propagação sinal EM coletivamente aumenta tanto incidência normal e obliqua e logo altura divisão otimizada valor maior com absorção. Para altura ou espessura SHPA 60 nm a 90 nm absorção média 85% a 88%, que diretamente declara otimizado para 90 nm.

Efeito polarização absorção. a Polarização TE. b Polarização TM e efeito estrutura SHPA. c Gap divisão vs. absorção. d Altura vs. absorção

Contudo, protótipo fabricado e resultados medida apoiariam dados simulados, que serão realizados próxima fase estudo. Além, imagem comparativa descrita Tabela 2 entender contribuição proposto nano-metaabsorvedor. Tabela 2, artigo relatado mostra boa eficiência, mas frequência operação e desempenho banda estreita tornam incapaz cumprir operação frequência visível. Outro artigo alegou aplicações colheita energia solar, mas largura banda e faixa operação tornam mais vulnerável comparado outros.

Conclusões

Neste artigo, absorvedor metamaterial hexagonal dividido proposto usando Au seis nano-braços baseado em substrato GaAs e Ni para aplicações colheita energia solar. Análise foto-quântica e distribuição fluxo potência matematicamente mostram que célula unidade proposta tem significativa possibilidade conversão fóton para aplicações fotovoltaicas ou célula solar. Performance célula unidade proposta SHPA analisada baseada propriedades dielétricas, performance linha transmissão, campo e distribuição potência, absorção termos estudo paramétrico. Todos dados extraídos parâmetro S através simulação CST MWS, que mostra características DNG existem com absorção EM ultrabanda larga (mais 95%) ambos espectro visível e UV luz. Unidade Hexa patch otimizada gap divisão 10 nm e altura 90 nm para absorção declarada. Validação experimental absorvedor proposto será continuada ser candidato desejável aplicações colheita energia faixa THz.

Disponibilidade Dados e Materiais

Todos dados totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

CDN:

Dipolo nanoantena clássico

DRI:

Índice refração direto

DNG:

Duplo negativo

EM:

Eletromagnético

FDTD:

Diferenças finitas domínio tempo

AG:

Algoritmo genético

FV:

Fotovoltaico

SHPA:

Array patch hexagonal dividido

UV:

Ultravioleta