Высокоэффективный, совершенный, большой угловой и сверхширокополосный поглотитель солнечной энергии для диапазона УФ-МИКР.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18044 (2022) Цитировать эту статью

1240 Доступов

9 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на то, что в поисках идеального, а также сверхширокополосного поглотителя света были опробованы различные материалы и конструкции, достижение сверхширокополосного и надежного поглощения неполяризованного света в широком угловом диапазоне оказалось серьезной проблемой. Возможности регулирования светового поля, обеспечиваемые оптическими метаматериалами, являются потенциально новым методом создания идеальных поглотителей. Наша цель — разработать и продемонстрировать сверхширокополосный поглотитель солнечного света от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона, который имеет коэффициент поглощения света TE/TM в среднем 96,2%. Согласно индексу воздушной массы 1,5 (AM1,5) в видимом, ближнем ИК- и ближнем ИК-диапазонах солнечного спектра поглощенная энергия составляет более 97,9%, более 96,1% и более 95% соответственно при солнечном излучении. исследование спектра. Чтобы добиться такого широкополосного поглощения, за основным слоем материала TiN следует слой SiO2, а поверх него — слой Cr с узорчатыми резонаторами на основе Ti с круговой и прямоугольной кратной диаграммой направленности. Больше приложений в интегрированных оптоэлектронных устройствах могут выиграть от сильного поглощения солнечной энергии, больших угловых характеристик и масштабируемой конструкции идеального поглотителя солнечной энергии.

Полное всестороннее поглощение всенаправленного и естественно поляризованного света в заданном диапазоне волн, который альтернативно можно назвать «поглотителями черного тела», чрезвычайно полезно в солнечной фотоэлектрической энергетике и других приложениях, таких как фотодетектирование и оптические модуляторы1,2. Были предприняты усилия по разработке как можно более хороших поглотителей. Леса углеродных нанотрубок3, кремниевые наноконусы4, оксидные наностержни5, различные металлические наноструктуры6 и т. д. являются одними из распространенных наноматериалов и наноструктур, используемых в настоящее время в поглотителях черного тела. Эти искусственные субволновые структуры с контролируемыми оптическими откликами и метаповерхности недавно стали потенциальными кандидатами на роль идеальных поглотителей. Преимущества идеальных поглотителей метаповерхности в управлении световым полем, включая их простую интеграцию, сверхтонкую толщину и высокую производительность, привлекли множество исследований7,8. Металлические узоры, диэлектрические прокладки и металлический слой сверху вниз представляют собой типичную сэндвич-подобную конфигурацию идеальных поглотителей солнечной энергии из метаматериалов (MSPSEA)9. Также стоит отметить, что первоначально заявленные MSPSEA работают на одной длине волны10,11,12,13 в низкочастотном диапазоне14, что ограничивает их практическое применение15. В результате был предпринят ряд усилий по расширению полосы поглощения и повышению частоты отклика. Чтобы повысить частоту ответов, размеры элементов элементарной ячейки могут быть уменьшены. Расширение диапазона поглощения можно осуществить двумя способами: путем перекрытия пиков поглощения или за счет уменьшения добротности резонанса16,17,18,19,20. Многослойная структура, плазмонные нанокомпозиты и элементарные ячейки постепенного размера были исследованы для достижения поставленных выше целей21. Еще одним фактором, который может повлиять на работу поглотителя, является материал, из которого он изготовлен. Для создания широкополосных MSPSEA использовались и другие материалы и диэлектрики, помимо более традиционных металлов и диэлектриков, включая TiN, ITO и даже черный фосфор22,23,24,25. Ожидается, что в последние годы эти метаповерхности достигнут сверхширокополосного поглощения (СШП), и было продемонстрировано, что они имеют примерно 85-процентное поглощение в сверхшироком рабочем диапазоне, который включает длины волн от УФ до ближнего инфракрасного (БИК) диапазона26. Из-за сложного производства и конструкции MSPA в настоящее время не могут одновременно достичь сверхширокой рабочей полосы и высокого коэффициента поглощения (> 90%). Для достижения безупречного поглощения СШП необходимы новые материалы и устройства.

В этих идеальных поглотителях часто используются изысканные металлы из-за их свойств плазмонного резонанса и оптической связи27. Узкий спектр поглощения затрудняется непродолжительным хранением и высокой стоимостью самых изысканных металлов. Чтобы удовлетворить спрос, потребуются поглотители с более широким спектром. Используя металлический титан, Lui et al. смогли получить широкое поглощение во всем диапазоне длин волн28. Даже при комнатной температуре титан удивительно стабилен. Этот тугоплавкий металл имеет температуру плавления 1668 градусов по Фаренгейту. Кроме того, было показано, что метаматериалы титана (Ti) обладают способностью широкополосного поглощения29,30. Поскольку мнимая составляющая диэлектрической проницаемости значительно уменьшена, потеря поглощения света может происходить в широком диапазоне частот. По этой причине плазмоника считается основной особенностью титана и его композитов31,32,33. Этими характеристиками обусловлена ​​способность титана поглощать плазмоны. С другой стороны, тугоплавкие металлы, которые могут выдерживать более высокие температуры, больше подходят для материалов, поглощающих солнечную энергию. Хотя титан не так распространен, как золото, серебро или медь, он способен успешно решать проблемы низких запасов и высоких затрат, поскольку его мировые запасы значительно больше. Благодаря уникальным качествам этих резонансных систем на основе тугоплавких металлов можно разрабатывать новое оборудование, такое как солнечные элементы и системы теплопередачи, а также более старые34,35,36,37,38.