Absorvente solar assistido por semicondutor nanoantena para captura de luz de banda ultralarga

Resumo

A captura de luz é um desempenho importante das células solares ultrafinas porque não só aumenta a absorção óptica na região fotoativa, mas também permite uma absorção eficiente com muito poucos materiais. Semiconductor-nanoantenna tem a capacidade de aumentar a captura de luz e aumentar a eficiência de transferência de energia solar. Neste trabalho, apresentamos um absorvedor solar à base de nanoantenas de arseneto de gálio (GaAs). A absorção de luz quase perfeita (acima de 90%) é alcançada no comprimento de onda que varia de 468 a 2870 nm, mostrando uma ultra banda larga e captura de luz próxima à unidade para a radiação solar. Uma alta densidade de corrente de curto-circuito de até 61,947 mA / cm ² é obtido. Além disso, o absorvedor solar apresenta boa estabilidade estrutural e tolerância a altas temperaturas. Isso oferece novas perspectivas para a obtenção de células fotovoltaicas e emissores térmicos ultracompactos e eficientes.

Introdução

A energia solar, como uma energia renovável, limpa e difundida, é amplamente estudada porque pode ser transformada em outras energias para amplas aplicações, como células solares [1,2,3], dispositivos fotovoltaicos [4, 5] e foto- emissores térmicos [6, 7]. Já que Landy et al. relataram os absorventes perfeitos com base nos meta-materiais de camada tripla metal-isolante-metal [8], uma abundância de nanoestruturas fascinantes foram projetadas para a coleta e utilização de energia solar [9,10,11,12,13,14 , 15,16,17,18,19,20,21]. Vale ressaltar que a captação eficiente da energia solar é fundamental para essas aplicações. Portanto, a resposta de absorção solar dos absorvedores é normalmente estudada para avaliar o desempenho da captação de energia solar. O absorvedor ideal possui absorção próxima à unidade em uma ampla faixa de comprimento de onda.

Em princípio, o absorvedor perfeito significa um bom emissor térmico na mesma faixa de comprimento de onda. Para uma dada temperatura, a energia de radiação pode ser bem descrita e detectada pela absorção da estrutura [7]. Além disso, a taxa de absorção para a radiação térmica é sempre igual à emissividade nas condições de equilíbrio térmico. Nanoestruturas metálicas nobres são normalmente utilizadas para obter absorvedores perfeitos, transmissão de luz extraordinária ou ressonâncias de Fano via forte acoplamento de luz com plasmons de superfície [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Porém, a energia solar absorvida levaria ao aumento da temperatura (ou seja, instabilidade térmica), resultando no dano de nanoestruturas metálicas nobres com baixo ponto de fusão [7]. Observe que a estabilidade estrutural e a tolerância a altas temperaturas podem ser garantidas quando metais refratários são usados para substituir metais nobres nos absorvedores [6, 9, 11, 12]. Embora os fenômenos de absorção de luz de banda larga tenham sido demonstrados nessas plataformas, esses métodos podem sofrer de problemas como geometrias sofisticadas [6, 18], larguras de banda de absorção relativamente finitas (<750 nm) [9, 11, 12] ou grande necessidade de metais nobres [8, 10, 11, 18].

Os materiais semicondutores também têm atraído grande interesse devido ao seu baixo custo e alta eficiência de conversão para energia solar em comparação com os dispositivos convencionais de película fina [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. A maioria dos absorvedores solares são baseados em silício (Si) devido à sua abundância natural e gap de energia quase ideal [31, 34]. No entanto, a eficiência das células solares é limitada quando a espessura das camadas de Si reduz. Portanto, a captura de luz agora se tornou um dos principais tópicos nas células solares de filme fino [38]. Recentemente, o arsenieto de gálio (GaAs) se tornou um bom competidor por causa de sua propriedade ótica única e alta eficiência de conversão [36,37,38,39], que foram demonstradas experimentalmente na colheita solar. Por exemplo, Massiot et al. apresentou a nanogrelha de metal para coleta de luz multirressonante de banda larga nas camadas ultrafinas de GaAs com largura de banda de absorção de 380 nm (de 450 a 830 nm) [40]. Li et al. propôs uma célula solar combinando nanopartículas de ouro e arranjos de nanofios de GaAs para realizar a ampla banda de absorção na região visível (300-850 nm) [39]. No entanto, suas bandas de absorção estão quase na faixa de 300-1100 nm. Recentemente, ao colocar a grade de GaAs em uma estrutura de filme de duas camadas de GaAs-tungstênio (W), obtivemos um absorvedor perfeito [40]. No entanto, a largura de banda de absorção (> 90%) atinge apenas 1300 nm. Além disso, apenas a polarização magnética transversal (TM) é considerada nesta estrutura.

Neste trabalho, propomos um absorvedor solar viável baseado no semicondutor GaAs e metais refratários W e Ti. Uma matriz de período de nanoantena de GaAs unidimensional (1D), revestida pelas nanoantenas anti-reflexo (AR) de óxido de estanho e índio (ITO), é colocada na estrutura de filme de três camadas W-GaAs-Ti fino. Este absorvedor solar apresenta uma banda de absorção ultra-larga abrangendo as regiões do infravermelho visível e médio devido à sinergia de ressonâncias de modo guia (GMRs) e modos de ressonância de cavidade juntamente com polaritons de plasmon de superfície (SPPs). A largura de banda com absorção acima de 90% é maior que 2.400 nm. O absorvedor também mostra uma boa tolerância ao ângulo e polarização da luz incidente. Além disso, alta densidade de corrente de curto-circuito de até 61,947 mA / cm ² é alcançado sob a iluminação solar AM1.5. Isso oferece novas perspectivas para a obtenção de células fotovoltaicas e emissores térmicos ultracompactos e eficientes.

Materiais e Método

O esquema do absorvedor proposto é mostrado na Fig. 1a. Uma matriz de nanoantena 1D GaAs é ensanduichada por uma matriz AR de camada única feita de nanoantenas ITO e uma estrutura de filme de três camadas de metal semicondutor fino (MSM). Embora os metais nobres sejam indispensáveis na criação de estruturas de absorção de banda larga, eles sofrem de baixos pontos de fusão [41]. Além disso, devido ao efeito de tamanho pequeno, os pontos de fusão de nanoestruturas de metal nobre padronizadas são bastante reduzidos [42]. Isso leva a nanoestruturas metálicas nobres que não atendem à temperatura de trabalho da energia solar fotovoltaica. Portanto, os materiais com ultra-alta estabilidade térmica e capacidade de absorção de luz são altamente desejados para manter a estabilidade dos absorvedores solares. W metálico, titânio (Ti) [6, 17] e GaAs semicondutor [36, 37, 39] são todos com pontos de fusão elevados (3422 ° C, 1668 ° C e 1238 ° C em temperatura ambiente, respectivamente) e, portanto, são empregados para obter bandas de absorção ultra-largas neste trabalho. O período e a largura das nanoantenas são denotados como P e d , respectivamente. A espessura do filme W inferior é de 100 nm. As espessuras dos filmes de Ti e GaAs são marcadas respectivamente com h ₁ e h ₂ . As espessuras das nanoantenas ITO e GaAs são marcadas com t ₁ e t ₂ , respectivamente. Os parâmetros otimizados deste absorvedor são definidos para P =500 nm, d =400 nm, t ₁ =80 nm, t ₂ =120 nm, h ₁ =70 nm e h ₂ =30 nm.

a Esquema do absorvedor solar proposto. b Espectros de absorção do absorvedor solar (linha preta), estrutura de pilha MSM (linha vermelha) e estrutura MSM revestida apenas com nanoantenas GaAs (linha azul)

Os desempenhos ópticos e as distribuições do campo eletromagnético deste absorvedor são calculados pelo método do domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD) [43]. Limites periódicos são empregados no x direções e camadas de correspondência perfeita são usadas no z instruções. As constantes dielétricas de Ti, W e GaAs são retiradas de Palik [44], e o índice de ITO é 2,0 [35]. Se não for especificado de outra forma, uma onda plana de frequência ampla com a polarização linear ao longo do x eixo é irradiado a partir do topo da metassuperfície de nanoantena (isto é, polarização TM) com a distância de 540 nm entre eles. A transmissão ( T ) neste absorvedor é igual a zero devido ao filme de metal opaco usado na parte inferior. A absorção ( A ) deste absorvedor pode ser calculado por A =1 - R , onde R denota o reflexo. Uma região finita com comprimento de 20 nm, largura de 500 nm e altura de 500 nm e uma malha refinada de 1,6 nm são escolhidas para calcular a densidade de corrente de curto-circuito (outros parâmetros são iguais aos definidos no cálculo de reflexão). Uma malha não uniforme com o passo mínimo de malha de 0,25 nm e a onda plana com três regiões de comprimento de onda (280-400 nm, 401-1702 nm e 1705-4400 nm) são usadas para calcular o espectro solar padrão usando um simples dois simulação dimensional. O absorvedor proposto pode ser fabricado com as seguintes etapas:(1) deposição ordenada de filmes de W, GaAs e Ti com certa espessura no substrato de sílica por meio do método de deposição [45, 46]; (2) depositar uma camada de fotoresiste na estrutura fabricada acima e gravá-la pela litografia de feixe de elétrons [47] para formar um arranjo unidimensional de nanoantena; (3) depositar consecutivamente GaAs e materiais de ITO com certa espessura na estrutura fabricada na segunda etapa; e (4) remover as nanoantenas fotoresistentes revestidas com GaAs e materiais ITO pelo método de decolagem.

Resultados e discussão

A Figura 1b mostra o espectro de absorção do absorvedor otimizado na incidência normal (marcado com “Absorvedor”, linha preta). Para comparação, os espectros de absorção da estrutura MSM (marcada com "MSM," linha vermelha) e a estrutura MSM revestida apenas por nanoantenas GaAs (marcada com "A estrutura sem a camada ITO," linha azul) também são mostrados na Fig. 1b. Para a estrutura com a estrutura de filme de três camadas MSM simples, a absorção é inferior a 70%. Quando a matriz de período de nanoantena GaAs é colocada na estrutura MSM, uma banda de absorção ultra-larga com absorção reforçada de 657 a 2679 nm é alcançada. Isso indica que a matriz de nanoantena GaAs aqui é responsável pela forte absorção na ampla faixa de comprimento de onda. Observe que as intensidades de absorção nas faixas de 991–1455 nm e 2004–2388 nm ainda são inferiores a 90%. Para o absorvedor proposto, a matriz de nanoantena ITO de 80 nm de espessura introduzida fortalece ainda mais a absorção e aumenta a banda de absorção. Levando A> 90% em consideração, um fenômeno de absorção ultralarga é encontrado com a largura de banda de absorção de até 2.402 nm abrangendo as regiões do infravermelho visível, próximo e médio (468–2870 nm). A absorção média aumenta para 95,5%. É porque a camada de ITO de 80 nm de espessura desempenha um papel anti-reflexo, que pode fortalecer ainda mais o efeito anti-reflexo das nanoantenas GaAs. Além disso, a camada de ITO de 80 nm de espessura é alta o suficiente para permitir uma baixa resistência da folha, portanto, baixas perdas de transporte lateral dos portadores ao longo de centenas de mícrons para contatos metálicos laterais [35]. Conseqüentemente, consegue-se uma grande melhora na largura de banda de absorção e eficiência de absorção, maior do que aqueles absorvedores baseados nos sistemas compostos de metal nobre-semicondutor [32,33,34,35,36,37]. A absorção muito ampliada origina-se principalmente da excitação de GMRs e modos de cavidade e seus efeitos de acoplamento hibridizado [18].

As distribuições do campo eletromagnético (| E | e | H |) e a densidade de corrente ( J ) deste absorvedor em diferentes comprimentos de onda (isto é, 594 nm, 1430 nm e 2586 nm). Em 594 nm, a energia do campo elétrico está concentrada principalmente na interface nanoantena-ar, e a forte energia do campo magnético está localizada na nanoantena GaAs e na camada ITO (Fig. 2a, b). Estes indicam os GMRs e modos de cavidade sendo excitados [18, 26]. A corrente elétrica nas nanoantenas GaAs (Fig. 2c) confirma a eficácia das nanoantenas GaAs para este aumento de absorção [48, 49]. Em 1430 nm, o forte campo elétrico existe principalmente nas ranhuras de ar próximas às nanoantenas (Fig. 2d), o que implica os modos de cavidade excitada [18, 26]. Na Fig. 2e, a energia do campo magnético está localizada nas interfaces do filme GaAs nanoantenna-Ti, indicando que os GMRs excitados e os modos de cavidade contribuem para a luz acoplada à estrutura e excitam ainda mais os SPPs próximos às interfaces do filme GaAs-Ti filme [9, 18, 20, 39]. A corrente elétrica distribuída no filme de Ti mostrado na Fig. 2f fornece uma forte evidência de que a luz incidente está totalmente acoplada à estrutura. Em 2586 nm, as energias eletromagnéticas localizam-se principalmente nas fendas entre as nanoantenas e nas interfaces do filme GaAs nanoantena-Ti e filme GaAs filme-W (Fig. 2g, h), e a corrente elétrica se distribui principalmente na superfície superior do o filme W (Fig 2i). Estes novamente demonstram a luz acoplada às camadas subjacentes da estrutura pelos GMRs, SPPs e modos de cavidade. Portanto, conclui-se que os GMRs, SPPs e cavidade excitados e sua sinergia resultam na banda larga e absorção quase perfeita [18].

Campo elétrico | E |, campo magnético | H | distribuições e densidade de corrente J a 594 nm ( a - c ), 1430 nm ( b - f ) e 2586 nm ( g - i ), respectivamente

Nas aplicações práticas dos absorvedores solares, a absorção de luz deve ser menos sensível aos ângulos de incidência e polarização [2, 3, 6, 18, 20]. No entanto, a maioria dos absorvedores baseados no material GaAs raramente envolvem a exploração do ângulo de polarização e do ângulo de incidência [36, 39]. A Figura 3a mostra a evolução da absorção para o absorvedor solar proposto sob a polarização TM com uma irradiação oblíqua. Obviamente, o efeito de absorção é quase robusto na faixa de 468–3000 nm com o ângulo incidente de até 55 ° e apenas uma ligeira diminuição no comprimento de onda na região do infravermelho médio. A banda de absorção reduzirá extremamente quando o ângulo de incidência for superior a 55 °. A Figura 3b mostra a absorção de luz em diferentes estados de polarização, onde 0 ° corresponde à polarização TM e 90 ° corresponde à polarização elétrica transversal (TE). Observa-se que a absorção pode ser mantida perfeitamente na região do comprimento de onda menor e maior (468–1010 nm e 1800–3000 nm) quando o ângulo de polarização aumenta de 0 a 90 °. Embora a absorção diminua na região do infravermelho próximo, ainda está acima de 50%. No geral, a insensibilidade angular e polarizada da absorção deve ser atribuída ao bom casamento da impedância e da perda intrínseca [18, 19].

Mapeamento de absorção do absorvedor solar sob um ângulo de incidência ajustável ( a ) e estado de polarização ( b )

Além disso, realizamos a investigação da absorção solar, colocando o absorvedor otimizado sob a iluminação da fonte AM 1.5. O absorvedor solar mostra uma absorção quase perfeita nas regiões do infravermelho visível, próximo e médio, abrangendo as principais regiões de distribuição de energia de irradiação solar (Fig. 4a). Como vários estados de ressonância ocorrem simultaneamente, a energia solar quase unitária é capturada pelo absorvedor. Isso demonstra a alta eficiência de absorção de energia solar em tal estrutura. Além disso, os materiais refratários utilizados neste absorvedor contribuem para manter a estabilidade térmica dessa estrutura quando a temperatura aumenta em uma determinada faixa. Portanto, pode-se concluir que nosso absorvedor proposto tem uma aplicação mais ampla em dispositivos fotoelétricos [50].

a Espectro padrão de radiação solar AM 1.5 e espectro de absorção de energia solar do absorvedor solar sob AM 1.5. b Energia absorvida e perdida do absorvedor solar em toda a faixa espectral de radiação solar

Conforme relatado em [36], a densidade de corrente de curto-circuito J _sc para AM1.5 a iluminação solar é descrita por \ ({J} _ {\ mathrm {sc}} ={\ int} _ {400 \ \ mathrm {nm}} ^ {3000 \ \ mathrm {nm}} \ frac { e \ lambda} {hc} {\ Phi} _ {\ mathrm {AM} 1,5} \ left (\ lambda \ right) \ mathrm {A} \ left (\ lambda \ right), \) onde e é a carga do elétron, h é a constante de Planck, λ é o comprimento de onda da luz, Φ _AM1.5 (λ) é a radiância solar em AM 1,5, A ( λ ) é a absorção, e c é a velocidade da luz. Aqui, investigamos a densidade de corrente de curto-circuito alterando a espessura das nanoantenas GaAs com outros parâmetros invariáveis. Quando t ₂ é sintonizado de 30 a 210 nm com um passo de 30 nm, a fotocorrente coletada é derivada como mostrado na Fig. 5. Uma forte regularidade com a espessura t ₂ é obtido porque J _sc depende principalmente do número de modos ressonantes na faixa de 300–3000 nm. O máximo J _sc igual a 61,947 mA / cm ² é obtido quando t ₂ =120 nm, que é muito maior do que o relatado por Meng et al. (30,3 mA / cm ² ) [35].

Densidade de corrente de curto-circuito com a espessura da nanoantena GaAs sob a luz polarizada TM

Conclusão

Apresentamos um absorvedor solar baseado nas nanoantenas GaAs cobertas por uma única camada de ITO em uma estrutura de pilha de três camadas W-GaAs-Ti fina. Um absorvedor de banda ultralarga quase perfeito é obtido na faixa de comprimento de onda de 468–2870 nm, com absorção média acima de 95%. A propriedade de absorção de ultra-banda larga se origina da sinergia de GMRs, modos de cavidade e SPPs. O absorvedor solar perfeito de banda ultralarga também tem grande tolerância à temperatura, insensibilidade ao ângulo e polarização da luz incidente e melhor densidade de corrente de curto-circuito de até 61,947 mA / cm ² . Isso oferece novas perspectivas para a obtenção de células solares de película fina, captação de energia solar e emissores térmicos.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo.

Abreviações

TM:: Transversal magnético
1D:: Unidimensional
AR:: Anti-reflexo
GMRs:: Ressonâncias do modo guia
SPPs:: Polaritons de plasmon de superfície
MSM:: Metal-semicondutor-metal
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
TE:: Transversal elétrico

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