Absorbeur d'énergie solaire très efficace, parfait, angulaire et ultra large bande pour la gamme UV à MIR

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18044 (2022) Citer cet article

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Bien que différents matériaux et conceptions aient été essayés à la recherche de l'absorbeur de lumière idéal et ultra large bande, l'obtention d'une absorption de lumière non polarisée ultra large bande et robuste sur une large plage angulaire s'est avérée être un problème majeur. Les capacités de régulation du champ lumineux fournies par les métamatériaux optiques sont une nouvelle technique potentielle pour des absorbeurs parfaits. Notre objectif est de concevoir et de démontrer un absorbeur solaire à bande ultra-large pour l'ultraviolet à une région infrarouge moyen qui a une capacité d'absorption de la lumière TE/TM de 96,2 % en moyenne. Dans les bandes visible, NIR et MIR du spectre solaire, l'énergie absorbée est déterminée comme étant supérieure à 97,9 %, supérieure à 96,1 % et supérieure à 95 %, respectivement sous le rayonnement solaire selon l'indice de masse d'air 1.5 (AM1.5) enquête sur le spectre. Afin d'obtenir cette absorption à large bande, la couche de masse du matériau TiN est suivie de la couche de SiO2 et, en plus, d'une couche de Cr avec des résonateurs à base de Ti à motifs multiples circulaires et rectangulaires. Davantage d'applications dans les dispositifs optoélectroniques intégrés pourraient bénéficier de la forte absorption, des réponses angulaires importantes et de la construction évolutive de l'absorbeur solaire idéal.

L'absorption complète de la lumière omnidirectionnelle et naturellement polarisée sur une bande d'ondes donnée, qui peut également être appelée "absorbeurs de corps noir", est extrêmement bénéfique dans le photovoltaïque solaire et d'autres applications telles que la photodétection et les modulateurs optiques1,2. Des efforts ont été faits pour développer des absorbeurs aussi bons que possible. Les forêts de nanotubes de carbone3, les nanocônes de silicium4, les nanotiges d'oxyde5, diverses nanostructures métalliques6, etc. sont quelques-uns des nanomatériaux et nanostructures couramment utilisés dans les absorbeurs à corps noir de nos jours. Ces structures artificielles de sous-longueur d'onde avec des réponses optiques contrôlées, et les métasurfaces, sont récemment apparues comme des candidats potentiels pour des absorbeurs parfaits. Les avantages des absorbeurs parfaits à métasurface dans la gestion du champ lumineux, y compris leur intégration facile, leur épaisseur ultra-mince et leurs hautes performances, ont attiré de nombreuses recherches7,8. Les motifs métalliques, les entretoises diélectriques et une couche métallique de haut en bas constituent la configuration type en sandwich des absorbeurs d'énergie solaire parfaits métamatériaux (MSPSEA)9. Il convient également de noter que les MSPSEA signalés à l'origine fonctionnent à une seule longueur d'onde10,11,12,13 dans la gamme des basses fréquences14, ce qui limite leur applicabilité pratique15. En conséquence, un certain nombre d'efforts ont été faits pour élargir la largeur de bande d'absorption et améliorer la fréquence de réponse. Pour augmenter la fréquence de réponse, les tailles des caractéristiques de la cellule unitaire peuvent être réduites. L'élargissement de la plage d'absorption peut être réalisé de deux manières : en chevauchant les pics d'absorption ou en réduisant le facteur de qualité de résonance16,17,18,19,20. La structure multicouche, les nanocomposites plasmoniques et les cellules unitaires de taille graduelle ont tous été étudiés afin d'atteindre les objectifs énoncés ci-dessus21. Un autre facteur qui peut affecter les performances de l'absorbeur est le matériau dont il est fait. D'autres matériaux et diélectriques au-delà des métaux et diélectriques plus traditionnels ont été utilisés pour construire des MSPSEA à large bande, notamment TiN, ITO et même du phosphore noir22,23,24,25. Ces métasurfaces devraient atteindre une absorption ultra large bande (UWB) ces dernières années et il a été démontré qu'elles ont une absorbance d'environ 85 % sur une bande de fonctionnement ultra large, qui comprend les longueurs d'onde UV à proche infrarouge (NIR)26. En raison de leur conception de production et de configuration difficile, les MSPA sont désormais incapables d'atteindre simultanément des bandes de travail ultra-larges et une absorptivité élevée (> 90%). De nouveaux matériaux et agencements sont nécessaires pour obtenir une absorption UWB parfaite.

Des métaux précieux sont fréquemment utilisés dans ces absorbeurs parfaits en raison de leur résonance plasmonique et de leurs propriétés de couplage optique27. Un spectre d'absorption étroit est entravé par un stockage court et des coûts élevés pour les métaux les plus raffinés. Afin de répondre à la demande, des absorbeurs à spectre plus large seront nécessaires. En utilisant du titane métallique, Lui et al. ont pu obtenir une large absorption sur toute la gamme de longueurs d'onde28. Même à température ambiante, le titane est remarquablement stable. Ce métal réfractaire a un point de fusion de 1668 degrés Fahrenheit. De plus, il a été démontré que les métamatériaux de titane (Ti) ont des capacités d'absorption à large bande29,30. Etant donné que la composante imaginaire de la constante diélectrique a été considérablement réduite, la perte d'absorption de la lumière peut se produire sur une large gamme de fréquences. La plasmonique est considérée comme une caractéristique majeure du titane et de ses composites pour cette raison31,32,33. Les qualités d'absorption des plasmons du titane sont dues à ces caractéristiques. D'autre part, les métaux réfractaires, qui peuvent supporter des températures plus élevées, sont plus adaptés aux matériaux absorbants solaires. Bien qu'il ne soit pas aussi abondant que l'or, l'argent ou le cuivre, le titane est en mesure de répondre avec succès aux problèmes de faibles réserves et de coûts élevés car ses gisements mondiaux sont nettement plus importants. En raison des qualités uniques de ces systèmes résonnants à base de métal réfractaire, de nouveaux équipements tels que les cellules solaires et les systèmes de transfert de chaleur peuvent être développés ainsi que d'autres plus établis34,35,36,37,38.

Dans cet article, nous avons développé un absorbeur d'énergie solaire à bande ultra large (UWBSEA) avec une caractéristique d'absorption élevée dans le spectre solaire qui couvre les régions UV à NIR. En raison de la couche métallique de nitrure de titane, les ondes électromagnétiques ne peuvent pas s'échapper de la cellule unitaire et contribuent à l'absorption élevée et cette caractéristique dépend également de la longueur d'onde ainsi que de l'épaisseur de la couche particulière. La réponse d'absorption moyenne supérieure à 90 % est observée pour la plage de longueurs d'onde de 2 670 nm et pour la plage de longueurs d'onde de 2 000 nm, nous avons atteint une absorption moyenne supérieure à 95 %. Le processus de conception de l'UWBSEA développé est discuté dans "Conception et modélisation" avec ses résultats présentés et détaillés dans "Résultats et discussion" tandis que "Conclusion" résume l'article.

L'UWBSEA est composé de quatre couches commençant par la couche inférieure, nous avons une couche de nitrure de titane, et sur cette couche de base, la deuxième couche de dioxyde de silicium est placée comme nous pouvons l'observer sur la figure 1a. La troisième couche est en chrome et est sélectionnée en raison de son faible coût et de ses propriétés de réflexion26. Cette structure est la principale raison de l'obtention de la réponse UWB et des principaux composants contribuant à l'absorption des ondes électromagnétiques. La couche supérieure du résonateur rectangulaire (RR) et du résonateur circulaire (CR) est constituée d'un matériau en titane, rendant ainsi la structure globale du résonateur symétrique et la réponse contribuant à la réponse indépendante de la polarisation. Les paramètres physiques de l'UWBSEA proposé sont démontrés tout au long de la Fig. 1b – d avec plusieurs représentations de la structure, y compris les vues de dessus et de face. Comme indiqué sur la figure 1b – d, la longueur de la structure, SL, est de 500 nm, et les longueurs externe et interne de RR, SRL et SRL1 sont respectivement de 400 nm et 300 nm. Le rayon de CR, CRR, est fixé à 100 nm. L'épaisseur de la couche de Nitrure de Titane, T1, est fixée à 600 nm, T2, et l'épaisseur de la couche de SiO2 est également fixée à 700 nm. Alors que l'épaisseur de la couche de chrome, T3, est fixée à 300 nm et l'épaisseur RR, TRR, est fixée à 600 nm et l'épaisseur CR, TCR, est décidée à rester à 900 nm. L'UWBSEA est composé de trois couches conçues avec des matériaux TiN, SiO2 et Cr et d'une structure multi-résonateur avec un matériau Ti. L'approche FEM a été utilisée pour simuler les profils de réflexion, de transmission et de champ électrique de l'UWBSEA39. Dans toutes les directions, un maillage tétraédrique de 5 nm est employé. Avec des conditions aux limites périodiques le long de x et y, le modèle 3D d'une cellule unitaire est construit. La direction z a été utilisée pour5 lancer des ondes planes incidentes sur la cellule unitaire. Les indices de réfraction complexes du titane (Ti), du nitrure de titane (TiN), du SiO2 et du chrome sont dérivés respectivement de40,41,42.

Structure UWBSEA développée (a) la vue structurelle de l'UWBSEA, (b) vue de dessus démontrant les multiples structures de résonateur de l'UWBSEA, (c) vue de face illustrant les différentes couches de l'UWBSEA, (d) vue améliorée des multiples structures de résonateur de l'UWBSEA et les matériaux utilisés pour la construction de l'UWBSEA développé.

La méthode FEM a été utilisée pour simuler les spectres d'absorption de diverses structures, et les résultats simulés de diverses structures sont illustrés à la Fig. 2. Comme ici, en raison de la structure optimale que nous avons conçue, la transmittance obtenue est nulle pour chaque structure. nous pouvons donc déterminer l'absorptivité en utilisant A = 1 - R, comme T = 0, où R désigne la réflexion et T est la transmittance et cela est validé à l'aide des résultats de simulation présentés dans les Fig. 2 et 3. Une illustration de la procédure d'optimisation de l'absorption de l'UWBSEA est présentée à la Fig. 2a. La figure 2b montre les spectres simulés à mesure que les performances d'absorption s'améliorent progressivement. Pour commencer, nous avons utilisé la structure à trois couches composée des couches de TiN, SiO2 et Cr sans structures de résonateur (WR) en tenant compte de l'optimisation, et cette structure a fourni l'absorption moyenne globale de 47,27 % d'absorption moyenne de l'UV à l'infrarouge moyen ( MIR) étant de 57,27 %, 48,3 %, 45,03 %, 50,41 %, respectivement et l'absorptivité maximale de 95,49 % est observée.

Représentation de la réalisation étape par étape de la structure UWBSEA optimisée, (a) plusieurs variations des structures SEA jusqu'à ce que l'absorption UWB soit atteinte et le (b) graphique d'absorption correspondant, (c) graphique à barres illustrant l'effet de l'insertion de nouvelles structures sur l'absorption moyenne globale.

réponse d'absorption de l'UWBSEA développé (a), réponse d'absorption, de réflectance et de transmission de l'UWBSEA développé, une absorption moyenne supérieure à 90 % est atteinte pour la plage UWB de 2 670 nm et une absorption moyenne supérieure à 95 % est observée pour la plage UWB de 2000 nm avec les six pics d'absorption presque parfaits, (b) absorption dans des conditions AM1.5 solaires. Une très petite quantité d'énergie solaire est manquée par l'UWBSEA développé dans la gamme visible, sinon une absorption presque identique est observée.

Dans la structure suivante que nous avons simulée, nous avons ajouté le résonateur circulaire d'une épaisseur de matériau Ti de 900 nm à la structure précédente sans résonateur rectangulaire (WRR) et, comme nous pouvons l'observer sur la figure 2b, la réponse d'absorption obtenue est très fluctuante, fournissant la moyenne une absorption globale de 49,95 % comme le montre la figure 2c et l'absorption dans les UV vers MIR étant de 49,64 %, 48,45 %, 50,39 %, 49,35 %, respectivement et pour cette structure, l'absorptivité maximale de 99,56 % est atteinte. Bien que la deuxième structure ait atteint la réponse d'absorption presque parfaite en termes d'UWB, elle manque toujours et l'amélioration par rapport à une structure précédente est très négligeable, n'étant que de 2 %. La troisième structure que nous avons utilisée était sans résonateur de circulation (WCR) et l'a remplacée par un résonateur rectangulaire du même matériau avec une épaisseur de 600 nm, comme indiqué sur la figure 2a. La réponse d'absorption de cette structure a observé une absorption globale moyenne de 89,44 %, et l'absorption moyenne dans les UV vers MIR est de 85,67 %, 93,42 %, 89,69 % et 88,41 %, respectivement, et le pic maximal observé est de 99,97 %. Ici, nous avons observé un changement radical de la réponse d'absorption et nous atteignons également le pic d'absorption presque parfait, mais si nous observons sur la figure 2b autour de 1100 nm, nous avons une forte baisse de l'absorption et pourtant, la réponse d'absorption n'est pas lisse et atteint des pics . Ainsi, pour améliorer encore la réponse d'absorption et obtenir la structure optimisée (OS), nous avons utilisé la structure avec la combinaison d'un résonateur circulaire et rectangulaire comme le montre la Fig. 1a et les résultats d'absorption parlent d'eux-mêmes car nous pouvons observer l'ensemble absorption moyenne de 96,2 % et en même temps, l'absorption moyenne dans les UV vers MIR est de 97,04 %, 97,90 %, 96,12 % et 95,04 %, respectivement. L'absorptivité maximale presque parfaite de 99,94 % a également été observée. Comme nous pouvons l'observer pour chaque bande, nous obtenons une absorption moyenne supérieure à 95 % et nous pouvons conclure que la couche de matériau Ti de CR et RR contribue fortement à l'obtention de l'UWB ainsi qu'à une réponse d'absorption presque parfaite. Sur la figure 2, nous pouvons observer que pour chaque structure, nous obtenons une transmission nulle en raison de la conception optimale.

Les spectres d'absorption, de transmission et de réflectance de l'UWBSEA développé sont illustrés à la Fig. 3a, et nous pouvons observer que nous avons atteint l'UWB ainsi qu'une réponse d'absorption presque parfaite. Comme nous pouvons l'observer sur la figure 3a, de 200 à 2870 nm, nous obtenons une réponse d'absorption moyenne de 90% ou plus de 90%, ceci étant la bande passante de 2670 nm et dans cette gamme de longueurs d'onde, l'absorption moyenne de 96,71% est observée . Autre que l'UWBSEA proposé, il démontre également une réponse d'absorption moyenne de 95 % ou supérieure à 95 % de 200 à 2 200 nm (bande passante de 2 000 nm) et dans cette plage, l'absorption moyenne de 97,20 % est atteinte. En dehors de cela, dans la plage simulée de 200 nm à 3000 nm, l'UWBSEA proposé démontre les six pics proches de l'unité répartis sur toute la gamme UV à Mir.

Comme le montre la figure 3a, les six pics λ1 à λ6 sont situés à 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm et 2,69 µm avec un pic d'absorptivité de 99,94 %, 99,38 %, 99,83 %, 99,89 % , 99,19 % et 99,37 %, respectivement. En conséquence, nous pouvons dire avec certitude que la structure UWBSEA a un large spectre d'absorption. En dehors de cela, l'UWBSEA qui a été développé est capable d'absorber l'énergie solaire sur une large gamme de longueurs d'onde, de l'UV au MIR. Et comme indiqué précédemment, cette structure optimisée fournit également une absorption moyenne de 97,04 %, 97,90 %, 96,12 % et 95,04 % des bandes UV à MIR. La performance d'absorption d'un absorbeur solaire peut être déterminée à l'aide d'un spectrogramme solaire, un indice important. Il est possible d'obtenir l'équation spectrale mondiale pour l'énergie solaire incidente d'AM1.5 en utilisant cette formule43 :

L'absorption du spectre d'un absorbeur solaire à 280–3000 nm peut être calculée à partir de l'équation. (1) et l'énergie solaire absorbée et manquée par l'UWBSEA développé est démontrée à la Fig. 3b. Dans cette étude, nous estimons la quantité d'énergie solaire absorbée et perdue en installant des absorbeurs solaires dans le spectre solaire global AM1.5. Dans les bandes visibles, NIR et MIR du spectre solaire, l'énergie absorbée est déterminée comme étant supérieure à 97,9 %, supérieure à 96,1 % et supérieure à 95 %, respectivement, en raison de la performance d'absorption supérieure de l'UWBSEA développé dans chaque groupe. Au fur et à mesure que l'UWBSEA se concrétisera, il ouvrira la voie au développement d'absorbeurs à faible coût et hautes performances dotés d'optoélectronique intégrée.

L'analyse des paramètres effectuée dans les Fig. 4 et 5, démontre que les paramètres physiques affectent également la réponse d'absorption. La figure 4a montre le tracé de couleur indiquant l'influence de l'épaisseur de la couche de Cr augmentant de 100 nm avec une augmentation uniforme de 100 nm à 500 nm que pour toutes les valeurs, nous obtenons la réponse d'absorption supérieure à 90 % et on ne peut pas décider le meilleur paramètre de cette figure par conséquent, l'analyse détaillée en termes d'absorption est effectuée et est illustrée à la Fig. 4b et comme le montre ce graphique, l'absorption moyenne dans toutes les bandes est supérieure à 94% est observée mais à 300 nm, nous atteignons les absorptances moyennes de 94,48 %, 98,20 %, 95,28 % et 96,1 % de la plage UV à MIR avec une absorption globale moyenne et une absorptivité maximale de 95,71 %, 99,95 %, étant respectivement les plus élevées pour les absorbances visibles, MIR et globales et, de ce fait, la couche Cr l'épaisseur est maintenue à 300 nm. L'impact d'une longueur de structure variant de 500 à 1000 nm avec une augmentation uniforme de 100 nm sur le spectre d'absorption est représenté sur la figure 4c et nous pouvons observer que l'absorption est assez identique jusqu'à 1500 nm pour toutes les valeurs de longueur et des variations importantes peuvent être vu après cette longueur d'onde et à partir de l'analyse d'absorption détaillée illustrée à la Fig. 4d, pour 500 nm de longueur de structure, nous obtenons des absorptances moyennes dans les UV à MIR de 94,7%, 97,67%, 94,91% et 94,94% sont atteints avec l'absorptivité maximale et l'absorption moyenne globale de 99,89 % et 95,19 %, respectivement. La figure 4e montre le diagramme de couleur étudiant l'influence du rayon de CR passant de 50 nm avec une augmentation uniforme de 25 nm à 125 nm pour toutes les valeurs, nous obtenons la réponse d'absorption presque équivalente et il est difficile de décider du meilleur paramètre à partir de cela. par conséquent, l'analyse détaillée en termes d'absorption est effectuée et est représentée sur la Fig. 4f et comme le montre ce graphique, l'absorption moyenne dans toutes les bandes augmente jusqu'à 100 nm et à cette valeur, nous atteignons les absorptances moyennes de 94,71 %, 97,67 %, 94,91 % et 94,94 % de la plage UV à MIR avec une absorption globale moyenne et une absorptivité maximale de 95,19 %, 99,92 %, respectivement et de ce fait, le rayon CR est maintenu à 100 nm.

Divers paramètres physiques UWBSEA affectant la réponse d'absorption, (a) épaisseur de la couche de chrome affectant la réponse d'absorption, (b) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR, ainsi que l'absorptivité maximale à mesure que nous augmentons la couche de chrome épaisseur de 100 à 500 nm avec le changement progressif de 100 nm, (c) longueur d'une structure affectant la réponse d'absorption, (d) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR ainsi que l'absorptivité maximale comme nous augmentons la longueur de la structure de 500 à 1000 nm avec le changement progressif de 100 nm, (e) rayon du résonateur circulaire affectant la réponse d'absorption, (f) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR ainsi comme absorptivité maximale lorsque nous augmentons le rayon du résonateur circulaire de 50 à 125 nm avec le changement progressif de 50 nm.

Divers paramètres physiques UWBSEA affectant la réponse d'absorption, (a) épaisseur de la couche de substrat affectant la réponse d'absorption, (b) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris les UV à MIR, ainsi que l'absorptivité maximale à mesure que nous augmentons la couche de substrat épaisseur de 500 à 1000 nm avec le changement progressif de 100 nm, (c) épaisseur du résonateur rectangulaire affectant la réponse d'absorption, (d) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR ainsi que l'absorptivité maximale comme nous augmenter l'épaisseur du résonateur rectangulaire de 500 à 1000 nm avec le changement progressif de 100 nm, (e) épaisseur du résonateur circulaire affectant la réponse d'absorption, (f) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR ainsi comme absorptivité maximale lorsque nous augmentons l'épaisseur du résonateur circulaire de 500 à 1000 nm avec le changement progressif de 100 nm.

La figure 5 montre l'impact de diverses épaisseurs structurelles sur le spectre d'absorption. L'influence de l'épaisseur de la couche de substrat variant de 500 à 1000 nm avec une augmentation uniforme de 100 nm sur le spectre d'absorption est représentée sur la figure 5a et nous pouvons observer que l'absorption est assez identique pour toutes les valeurs et on ne peut pas décider du meilleur paramètre à partir de ce chiffre d'où l'analyse d'absorption détaillée illustrée à la Fig. 5b, pour 700 nm de longueur de structure, nous obtenons des absorptances moyennes dans les UV à MIR de 94,48%, 98,2%, 95,28% et 96,1% sont atteints avec l'absorptivité maximale et l'ensemble absorption moyenne de 99,93 % et 95,71 %, respectivement et ainsi cette épaisseur est maintenue à 700 nm. La figure 5c montre le tracé de couleur indiquant l'influence de l'épaisseur RR augmentant de 500 nm avec une augmentation uniforme de 100 nm à 1000 nm que pour toutes les valeurs, nous obtenons la réponse d'absorption supérieure à 90 % et à partir de l'analyse d'absorption détaillée effectuée sur la Fig. 5d, l'absorption moyenne dans toutes les bandes est supérieure à 90 % pour la plupart des épaisseurs est observée et à 500 nm lui-même, nous obtenons les absorptances moyennes les plus élevées de 96,22 %, 98,70 %, 94,28 % et 91,67 % de la gamme UV à MIR avec une absorption globale moyenne et une absorptivité maximale de 94,4 %, 99,97 %, respectivement. L'impact de l'épaisseur de CR variant de 500 à 1000 nm avec une augmentation uniforme de 100 nm sur le spectre d'absorption est représenté sur la figure 5e et nous pouvons observer que l'absorption est beaucoup affectée et que des variations majeures peuvent être observées et à obtenir une bonne compréhension, nous avons effectué l'analyse d'absorption détaillée illustrée à la Fig. 5 (f), pour 900 nm d'épaisseur de CR, nous obtenons les absorptances moyennes les plus élevées dans les UV à MIR de 91,68%, 95,88%, 96,942% et 96,968% sont atteints avec une absorptivité maximale et une absorption moyenne globale de 99,99 % et 96,09 %, respectivement.

De plus, afin d'expliquer comment l'UWBSEA développé peut générer une absorption à large bande à 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm et 2,69 µm, les distributions de champ électromagnétique (EFD) sont simulées et démontrées pour deux vues, y compris XY et XZ avec leur représentation sur les Fig. 6a – f et g – l, respectivement. Le premier pic de 99,94% à 220 nm est observé et l'EF maximum n'est réparti que sur l'EF rectangulaire et mineur est réparti sur les structures de résonateur circulaires, comme illustré sur les Fig. 6a, g. À 560 nm, le deuxième pic de 99,38 % est observé et dans le tracé EFD de la figure 6b, une quantité mineure d'EF se trouve à travers le résonateur rectangulaire tandis que la majeure partie de l'EF est concentrée sur le résonateur circulaire.

Représentation de la distribution du champ électrique de l'UWBSEA développé aux six pics d'absorption presque parfaits avec deux vues différentes, c'est-à-dire XY et XZ, respectivement (a,g) 0,22 µm, (b,h) 0,56 µm, (c,i) 1,5 µm , (d,j) 1,79 µm, (e,k) 2,63 µm, (f,l) 2,69 µm.

Le troisième pic de 99,83 % à 1500 nm est observé et l'EF maximal est réparti sur toutes les structures de résonateur rectangulaires et circulaires avec un EF plus profond trouvé dans la partie inférieure du résonateur rectangulaire par rapport aux cas précédents, comme illustré à la Fig. 6c,i . À 1790 nm, le quatrième pic de 99,83% est observé et dans le tracé EFD de la Fig. 6d, ja une quantité plus élevée d'EF est trouvée à travers le résonateur rectangulaire et le résonateur circulaire ainsi ici, nous avons également obtenu la concentration maximale d'EF sur la surface extérieure de CR ainsi que de surface RR. Ici, nous pouvons également observer la petite quantité d'EF sur la couche de chrome et de SiO2. Le cinquième pic de 99,19 % à 2 630 nm est observé et la même quantité d'EF est répartie sur l'ensemble des structures de résonateur rectangulaires et circulaires, comme observé dans les cas précédents, avec une concentration d'EF plus élevée au niveau des couches Cr et SiO2 par rapport aux cas précédents, comme illustré sur la figure 6e,k. À 2690 nm, le sixième pic de 99,37% est observé et dans le tracé EFD de la Fig. 6f, la plus grande quantité d'EF est trouvée à travers le résonateur rectangulaire et le résonateur circulaire ainsi ici, nous avons également obtenu la concentration maximale d'EF sur la surface extérieure de CR ainsi que de surface RR avec la concentration EF maximale répartie sur les couches Cr et SIO2. La seule chose commune à ces structures est que la couche de base de TiN contribue à l'extinction de la transmission, donc aucune concentration EF n'est trouvée et, par conséquent, aucune absorption dans cette couche.

L'absorbeur solaire doit être indépendant de la polarisation et insensible aux grands angles d'incidence (IA) afin d'être largement utilisé dans la nature. L'absorptivité est tracée en fonction de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde sur la figure 7 pour plusieurs sources lumineuses avec différents états de polarisation. La figure 7a représente la réponse d'absorption sous lumière polarisée TE et à partir de la figure, il est visible que nous commençons à observer la chute de l'absorption dans les bandes visibles et UV après 30 degrés et après une analyse plus détaillée en termes d'absorption, comme le montre la figure 7b. , l'absorption moyenne globale, l'absorption moyenne dans le NIR MIR est toujours supérieure à 90 % pour l'IA de 60 degrés et nous obtenons les absorptances moyennes les plus élevées de 60,36 %, 47,6 %, 91 % et 91,81 % dans les bandes UV à MIR. La chute progressive de l'absorbance moyenne des bandes UV et visible est observée après 30 degrés IA. La réponse d'absorption affectée par la lumière polarisée TM est illustrée à la Fig. 7c et nous pouvons dire à partir des Fig. 7c, d que les lumières polarisées TE et TM affectent l'UWBSEA développé de manière identique prouvant les caractéristiques indépendantes de la polarisation de l'UWBSEA proposé. La figure 7e représente la réponse d'absorption sous une lumière non polarisée (UP) et à partir de la figure, il est visible que nous commençons à observer la baisse d'absorption dans chaque bande après 50 degrés et après une analyse plus détaillée en termes d'absorption, comme le montre la figure 7f. , l'absorption moyenne globale est toujours supérieure à 80 % pour l'IA de 50 degrés et nous obtenons les absorptions moyennes les plus élevées de 90,9 %, 86 %, 81,37 % et 77,4 % dans les bandes UV à MIR. La baisse progressive de l'absorbance moyenne des bandes UV et visible est observée après 70 degrés IA. Donc, ici, nous pouvons clairement affirmer que la structure proposée peut absorber fortement dans des conditions de lumière non polarisée par rapport aux conditions TE et TM. De plus, pour la lumière non polarisée, nous obtenons une absorption plus élevée dans la région visible pour une IA plus élevée et, comme la concentration de rayonnement solaire est élevée dans cette plage, ces résultats embarquent clairement dans une application potentielle pour l'amélioration des dispositifs photovoltaïques également. La structure de résonateur de la structure présentée est symétrique et nous avons donc obtenu une réponse d'absorption identique pour les modes TE et TM. La réponse d'absorption de notre structure varie légèrement dans une très petite plage uniquement pour l'angle d'incidence jusqu'à 60° pour la région visible car jusqu'à 60° nous obtenons l'absorption la plus élevée pour chaque région sauf visible et elle est encore dégradée pour le reste des angles. Pour résoudre ce problème, nous pouvons construire une plate-forme pour éviter l'incidence du rayon à ces angles particuliers et obtenir la réponse d'absorption appropriée pour améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques.

Réponse d'absorption d'UWBSEA pour divers IA, (a) réponse d'absorption pour IA pour TE, (b) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR, ainsi que l'absorptivité maximale lorsque nous augmentons l'épaisseur de la couche de substrat de 0 à 80 degrés avec le changement progressif de 10 °, (c) réponse d'absorption pour IA pour TM, (d) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR, ainsi que l'absorptivité maximale lorsque nous augmentons l'IA de 0 ° à 80° avec le changement progressif de 10°, (e) réponse d'absorption pour IA pour la lumière non polarisée, (f) tracé linéaire indiquant le changement d'absorption moyenne pour diverses régions, y compris UV à MIR ainsi que l'absorptivité maximale à mesure que nous augmentons le IA de 0° à 80° avec le changement progressif de 10°.

Il ressort clairement du tableau 1 que notre UWBSEA présente des avantages significatifs par rapport aux autres absorbeurs. Nous tenons à souligner que chaque matériau utilisé ici, du Ti au SiO2, est un matériau facilement disponible et économique par rapport aux matériaux précieux généralement utilisés pour l'absorbeur solaire. De plus, l'épaisseur de chaque matériau utilisé pour la structure proposée est inférieure à 1000 nm. Les trois premières couches, c'est-à-dire TiN, SiO2 et Cr peuvent être facilement déposées à l'aide d'un dépôt de couche mince, et plus tard, le résonateur à base de Ti est simplement une structure à base de rectangle et de cylindre qui peut être facilement fabriquée à l'aide de la lithographie comme les structures présentées sont très basiques. Ainsi, nous pouvons affirmer que la structure proposée est plus simple et plus rapide à construire. Deuxièmement, l'efficacité d'absorption de notre absorbeur est de 95 % pour 2 000 nm et de 90 % pour 2 670 nm, ce qui est supérieur à celui des autres absorbeurs, ce qui le rend supérieur. Selon nos résultats, notre absorbeur a une excellente efficacité d'absorption moyenne par rapport à une efficacité d'absorption moyenne pondérée à AM1.5. Lorsque tout est pris en compte, il est clair que les absorbeurs solaires sont une partie importante de l'absorption solaire en raison de leur conception simple et de leurs hautes performances.

Plusieurs matériaux et conceptions ont été tentés à la recherche de l'ultime absorbeur de lumière ultra-large bande, l'obtention d'une absorption de lumière non polarisée ultra-large bande et forte sur une large plage angulaire s'est avérée être un défi important. Les capacités de régulation du champ lumineux des métamatériaux optiques sont une nouvelle solution potentielle pour des absorbeurs parfaits. Notre objectif est de créer et de démontrer un absorbeur solaire à très large bande pour l'ultraviolet à l'infrarouge moyen avec une absorption moyenne de la lumière TE/TM de 96,2 %. Dans les régions visible, NIR et MIR du spectre solaire, selon l'analyse du spectre AM1.5, l'énergie absorbée est supérieure à 97,9 %, supérieure à 96,1 % et supérieure à 95 %, respectivement. En dehors de cela pour la gamme de longueurs d'onde de 2000 nm, nous avons atteint une absorption moyenne de plus de 95% dans laquelle l'absorption moyenne est de 97,2% et pour la gamme de longueurs d'onde de 2670 nm, l'absorption moyenne de plus de 90% est obtenue avec une absorption moyenne de 96,71 %. Afin de produire cette absorption à large bande, la couche de masse du matériau TiN est suivie de la couche de SiO2, puis d'une couche de Cr avec de nombreux résonateurs circulaires et rectangulaires à base de Ti. Des applications de dispositifs optoélectroniques plus intégrés pourraient bénéficier de l'absorption élevée, des réponses angulaires importantes et de l'évolutivité de l'absorbeur solaire parfait.

Les données seront mises à disposition sur demande raisonnable de l'auteur correspondant.

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Pression Jaymit

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Juvéria Parmar

Département de génie mécanique et des matériaux, Université du Nebraska-Lincoln, 1400 R St., Nebraska, 68588, États-Unis

Juvéria Parmar

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SKP a conçu l'idée. SKP et AU impliqués dans la méthodologie, AU et GM ont conçu la conception en couches, BV a conçu la conception de l'anneau carré, JS et JP ont conçu et optimisé la conception finale, Tous les auteurs ont contribué à la rédaction de l'article. SKP a supervisé le projet.

Correspondance à Shobhit K. Patel.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Patel, SK, Udayakumar, A., Mahendran, G. et al. Absorbeur d'énergie solaire très efficace, parfait, angulaire et ultra large bande pour la gamme UV à MIR. Sci Rep 12, 18044 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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Reçu : 22 août 2022

Accepté : 21 octobre 2022

Publié: 27 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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