Halbleiter-Nanoantennen-unterstützter Solarabsorber für Ultra-Breitband-Lichteinfang

Einführung

Solarenergie als erneuerbare, saubere und weit verbreitete Energie wird umfassend untersucht, da sie in andere Energien für breite Anwendungen wie Solarzellen [1, 2, 3], Photovoltaik [4, 5] und Fotovoltaik umgewandelt werden kann. thermische Strahler [6, 7]. Da Landy et al. über die perfekten Absorber auf Basis der Metall-Isolator-Metall-Dreischicht-Metamaterialien [8], wurden zahlreiche faszinierende Nanostrukturen für die Sammlung und Nutzung von Sonnenenergie entworfen [9,10,11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21]. Es ist erwähnenswert, dass die effiziente Solarenergiegewinnung ein Schlüssel für diese Anwendungen ist. Daher wird das Sonnenabsorptionsverhalten der Absorber normalerweise untersucht, um die Leistung der Sonnenenergiesammlung zu bewerten. Der ideale Absorber besitzt eine Absorption von nahezu Eins in einem breiten Wellenlängenbereich.

Im Prinzip bedeutet der perfekte Absorber einen guten thermischen Strahler im gleichen Wellenlängenbereich. Bei gegebener Temperatur kann die Strahlungsenergie gut beschrieben und durch die Absorption der Struktur nachgewiesen werden [7]. Außerdem ist das Absorptionsverhältnis zur Wärmestrahlung immer gleich dem Emissionsgrad unter den Bedingungen des thermischen Gleichgewichts. Edelmetallische Nanostrukturen werden üblicherweise verwendet, um durch starke Kopplung von Licht mit Oberflächenplasmonen perfekte Absorber, außergewöhnliche Lichttransmission oder Fano-Resonanzen zu erhalten [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Die absorbierte Sonnenenergie würde jedoch zu einem Temperaturanstieg (d. h. thermischer Instabilität) führen, was zur Schädigung von edelmetallischen Nanostrukturen mit niedrigem Schmelzpunkt führen würde [7]. Beachten Sie, dass die strukturelle Stabilität und hohe Temperaturtoleranz gewährleistet werden kann, wenn Refraktärmetalle als Ersatz für Edelmetalle in den Absorbern verwendet werden [6, 9, 11, 12]. Obwohl die Breitband-Lichtabsorptionsphänomene in diesen Plattformen demonstriert wurden, können diese Methoden unter Problemen wie den ausgeklügelten Geometrien [6, 18], relativ endlichen Absorptionsbandbreiten (< 750 nm) [9, 11, 12] oder dem großen Bedarf an Edelmetalle [8, 10, 11, 18].

Halbleitermaterialien haben aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres hohen Umwandlungswirkungsgrads für Solarenergie im Vergleich zu herkömmlichen Dünnschichtvorrichtungen ebenfalls großes Interesse auf sich gezogen [31,32,33,34,35,36,37,38,39]. Die meisten Solarabsorber basieren aufgrund seiner natürlichen Häufigkeit und der nahezu idealen Energiebandlücke auf Silizium (Si) [31, 34]. Allerdings ist der Wirkungsgrad von Solarzellen begrenzt, wenn die Dicke der Si-Schichten abnimmt. Daher ist Light Trapping mittlerweile zu einem der Hauptthemen bei Dünnschichtsolarzellen geworden [38]. In letzter Zeit hat sich Galliumarsenid (GaAs) aufgrund seiner einzigartigen optischen Eigenschaften und seiner hohen Umwandlungseffizienz [36,37,38,39] zu einem guten Konkurrenten entwickelt, die experimentell bei der Sonnengewinnung nachgewiesen wurden. Massiot et al. präsentierten das Metall-Nanogrid für breitbandiges multiresonantes Lichtsammeln in den ultradünnen GaAs-Schichten mit einer Absorptionsbandbreite von 380 nm (von 450 bis 830 nm) [40]. Liet al. schlugen eine Solarzelle durch die Kombination von Gold-Nanopartikeln und GaAs-Nanodraht-Arrays vor, um das breite Absorptionsband im sichtbaren Bereich (300–850 nm) zu realisieren [39]. Ihre Absorptionsbanden liegen jedoch fast im Bereich von 300–1100 nm. Vor kurzem erhielten wir durch Anordnen des GaAs-Gitters auf einer GaAs-Wolfram (W)-Doppelschicht-Filmstruktur einen perfekten Absorber [40]. Die Absorptionsbandbreite (> 90%) erreicht jedoch nur 1300 nm. Außerdem wird in dieser Struktur nur die transversal-magnetische (TM) Polarisation berücksichtigt.

In dieser Arbeit schlagen wir einen praktikablen Solarabsorber basierend auf dem Halbleiter GaAs und den Refraktärmetallen W und Ti vor. Ein eindimensionales (1D) GaAs-Nanoantennen-Periodenarray, das mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) Antireflexions-(AR)-Nanoantennen beschichtet ist, wird auf der dünnen W-GaAs-Ti-Dreischichtfilmstruktur platziert. Dieser Solarabsorber weist aufgrund der Synergie von Leitmodenresonanzen (GMRs) und Hohlraumresonanzmoden zusammen mit Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPPs) ein ultrabreites Absorptionsband auf, das den sichtbaren und mittleren Infrarotbereich überspannt. Die Bandbreite mit der Absorption über 90% ist größer als 2400 nm. Der Absorber zeigt auch eine gute Toleranz gegenüber dem Winkel und der Polarisation des einfallenden Lichts. Darüber hinaus hohe Kurzschlussstromdichte von bis zu 61,947 mA/cm ² wird unter der AM1.5 Solarbeleuchtung erreicht. Diese bieten neue Perspektiven für die Erzielung ultrakompakter effizienter Photovoltaikzellen und thermischer Strahler.

Materialien und Methode

Das Schema des vorgeschlagenen Absorbers ist in Abb. 1a dargestellt. Ein 1D-GaAs-Nanoantennen-Array wird von einem einschichtigen AR-Array aus ITO-Nanoantennen und einer dünnen Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Dreischichtfilmstruktur eingeschlossen. Edelmetalle sind zwar unverzichtbar für den Aufbau breitbandiger Absorptionsstrukturen, leiden aber an niedrigen Schmelzpunkten [41]. Zudem werden durch den Small-Size-Effekt die Schmelzpunkte strukturierter Edelmetall-Nanostrukturen stark gesenkt [42]. Diese führen dazu, dass edelmetallische Nanostrukturen nicht der Arbeitstemperatur der Solarphotovoltaik entsprechen. Daher sind Materialien mit ultrahoher thermischer Stabilität und Lichtabsorptionskapazität sehr erwünscht, um die Stabilität von Solarabsorbern zu erhalten. Metallisches W, Titan (Ti) [6, 17] und Halbleiter-GaAs [36, 37, 39] haben alle hohe Schmelzpunkte (3422 °C, 1668 °C bzw. 1238 °C bei Raumtemperatur) und somit werden in dieser Arbeit verwendet, um ultrabreite Absorptionsbanden zu erhalten. Die Periode und Breite der Nanoantennen werden mit P . bezeichnet und d , bzw. Die Dicke des unteren W-Films beträgt 100 nm. Die Dicken der Ti- und GaAs-Filme sind jeweils mit h . gekennzeichnet ₁ und h ₂ . Die Dicken von ITO- und GaAs-Nanoantennen sind mit t . gekennzeichnet ₁ und t ₂ , bzw. Die optimierten Parameter dieses Absorbers sind auf P . eingestellt =500 nm, d =400 nm, t ₁ =80 nm, t ₂ =120 nm, h ₁ =70 nm und h ₂ =30 nm.

a Schema des vorgeschlagenen Solarabsorbers. b Absorptionsspektren des Solarabsorbers (schwarze Linie), MSM-Stapelstruktur (rote Linie) und MSM-Struktur, die nur mit GaAs-Nanoantennen beschichtet ist (blaue Linie)

Die optischen Leistungen und elektromagnetischen Feldverteilungen dieses Absorbers werden nach der Finite-Difference-Time-Domain-(FDTD)-Methode berechnet [43]. Am x . werden periodische Grenzen verwendet Richtungen und perfekt passende Ebenen werden bei der z . verwendet Richtungen. Die Dielektrizitätskonstanten von Ti, W und GaAs sind Palik [44] entnommen, und der Index von ITO beträgt 2,0 [35]. Wenn nicht anders angegeben, eine breite Frequenzebene mit linearer Polarisation entlang der x Achse wird von der Oberseite der Nanoantennen-Metaoberfläche (d. h. TM-Polarisation) mit einem Abstand von 540 nm dazwischen bestrahlt. Die Übertragung (T ) in diesem Absorber ist aufgrund der opaken Metallfolie an der Unterseite gleich Null. Die Absorption (A ) dieses Absorbers kann berechnet werden durch A =1 − R , wobei R bezeichnet die Spiegelung. Zur Berechnung der Kurzschlussstromdichte wird ein endlicher Bereich mit einer Länge von 20 nm, einer Breite von 500 nm und einer Höhe von 500 nm und einem verfeinerten Netz von 1,6 nm gewählt (andere Parameter sind dieselben wie bei der Berechnung von Betrachtung). Zur Berechnung des Standard-Sonnenspektrums mit einfachen zwei -dimensionale Simulation. Der vorgeschlagene Absorber kann in den folgenden Schritten hergestellt werden:(1) geordnetes Abscheiden von W-, GaAs- und Ti-Filmen mit einer bestimmten Dicke auf dem Siliziumdioxidsubstrat über das Abscheidungsverfahren [45, 46]; (2) Abscheiden einer Photoresistschicht auf der oben hergestellten Struktur und Ätzen derselben durch Elektronenstrahllithographie [47], um ein eindimensionales Nanoantennen-Array zu bilden; (3) aufeinanderfolgendes Abscheiden von GaAs- und ITO-Materialien mit einer bestimmten Dicke auf der im zweiten Schritt hergestellten Struktur; und (4) Entfernen der mit GaAs- und ITO-Materialien beschichteten Photoresist-Nanoantennen durch das Abhebeverfahren.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1b zeigt das Absorptionsspektrum des optimierten Absorbers bei senkrechtem Einfall (gekennzeichnet mit „Absorber“, schwarze Linie). Zum Vergleich sind in Abb. 1b. Für den Aufbau mit dem einfachen MSM-Dreischichtfilmaufbau beträgt die Absorption weniger als 70 %. Wenn das GaAs-Nanoantennen-Periodenarray auf der MSM-Struktur platziert wird, wird ein ultrabreites Absorptionsband mit verstärkter Absorption von 657 bis 2679 nm erreicht. Dies deutet darauf hin, dass hier das GaAs-Nanoantennen-Array für die starke Absorption im breiten Wellenlängenbereich verantwortlich ist. Beachten Sie, dass die Absorptionsintensitäten im Bereich von 991–1455 nm und 2004–2388 nm immer noch unter 90% liegen. Für den vorgeschlagenen Absorber verstärkt das eingeführte 80 nm dicke ITO-Nanoantennen-Array die Absorption weiter und vergrößert die Absorptionsbande. Berücksichtigt man A> 90%, wird ein ultrabreites Absorptionsphänomen mit einer Absorptionsbandbreite von bis zu 2402 nm gefunden, die den sichtbaren, nahen und mittleren Infrarotbereich (468–2870 nm) überspannt. Die durchschnittliche Absorption wird auf 95,5% erhöht. Dies liegt daran, dass die 80 nm dicke ITO-Schicht eine Antireflexionsrolle spielt, die die Antireflexionswirkung von GaAs-Nanoantennen weiter verstärken kann. Darüber hinaus ist die 80 nm dicke ITO-Schicht hoch genug, um einen geringen Schichtwiderstand, also geringe seitliche Transportverluste der Träger über Hunderte von Mikrometern zu seitlichen metallischen Kontakten zu ermöglichen [35]. Folglich wird die große Verbesserung der Absorptionsbandbreite und Absorptionseffizienz erreicht, die größer ist als bei Absorbern auf Basis der Edelmetall-Halbleiter-Verbundsysteme [32,33,34,35,36,37]. Die stark vergrößerte Absorption stammt hauptsächlich von der Anregung von GMRs und Hohlraummoden und deren hybridisierten Kopplungseffekten [18].

Die elektromagnetischen Feldverteilungen (|E | und |H |) und die Stromdichte (J ) dieses Absorbers bei verschiedenen Wellenlängen (d. h. 594 nm, 1430 nm und 2586  nm) untersucht. Bei 594 nm konzentriert sich die elektrische Feldenergie hauptsächlich an der Nanoantenne-Luft-Grenzfläche, und die starke magnetische Feldenergie befindet sich in der GaAs-Nanoantenne und der ITO-Schicht (Abb. 2a, b). Diese zeigen die angeregten GMRs und Resonatormoden an [18, 26]. Der elektrische Strom in den GaAs-Nanoantennen (Abb. 2c) bestätigt die Wirksamkeit von GaAs-Nanoantennen für diese Absorptionsverstärkung [48, 49]. Bei 1430  nm existiert das starke elektrische Feld hauptsächlich in den Luftschlitzen in der Nähe der Nanoantennen (Abb. 2d), was die angeregten Hohlraummoden impliziert [18, 26]. In Fig. 2e befindet sich die Magnetfeldenergie an den Grenzflächen zwischen GaAs-Nanoantenne und Ti-Film, was darauf hindeutet, dass die angeregten GMRs und Hohlraummoden beide zu dem in die Struktur eingekoppelten Licht beitragen und die SPPs in der Nähe der Grenzflächen von GaAs-Film-Ti . weiter anregen Film [9, 18, 20, 39]. Der in der in Fig. 2f gezeigten Ti-Schicht verteilte elektrische Strom liefert einen starken Beweis dafür, dass das einfallende Licht vollständig in die Struktur eingekoppelt wird. Bei 2586 nm befinden sich die elektromagnetischen Energien hauptsächlich in den Schlitzen zwischen den Nanoantennen und an den Grenzflächen von GaAs-Nanoantenne-Ti-Film und GaAs-Film-W-Film (Abb. 2g, h), und der elektrische Strom verteilt sich hauptsächlich an der oberen Oberfläche von der W-Film (Abb. 2i). Diese zeigen erneut das Licht, das durch die GMRs, SPPs und Resonatormoden in die darunter liegenden Schichten der Struktur eingekoppelt wird. Daraus wird geschlossen, dass die angeregten GMRs, SPPs und Kavitäten und ihre Synergie zu einer breitbandigen und nahezu perfekten Absorption führen [18].

Elektrisches Feld |E |, Magnetfeld |H | Verteilungen und Stromdichte J bei 594 nm (a –c ), 1430 nm (b –f ) und 2586 nm (g –ich ) bzw.

In der praktischen Anwendung der Solarabsorber sollte die Lichtabsorption weniger empfindlich auf Einfalls- und Polarisationswinkel sein [2, 3, 6, 18, 20]. Die meisten Absorber auf Basis des GaAs-Materials beinhalten jedoch selten die Untersuchung des Polarisationswinkels und des Einfallswinkels [36, 39]. Abbildung 3a zeigt die Absorptionsentwicklung für den vorgeschlagenen Solarabsorber unter der TM-Polarisation mit einer schrägen Einstrahlung. Offensichtlich ist der Absorptionseffekt im Bereich von 468–3000 nm mit einem Einfallswinkel von bis zu 55° und nur einer leichten Abnahme der Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich nahezu robust. Die Absorptionsbande verringert sich extrem, wenn der Einfallswinkel über 55° beträgt. Abbildung 3b zeigt die Absorption von Licht unter verschiedenen Polarisationszuständen, wobei 0° der TM-Polarisation und 90° der transversal-elektrischen (TE) Polarisation entspricht. Es wird beobachtet, dass die Absorption im kürzeren und längeren Wellenlängenbereich (468–1010 nm und 1800–3000 nm) perfekt aufrechterhalten werden kann, wenn der Polarisationswinkel von 0 auf 90° ansteigt. Obwohl die Absorption im nahen Infrarotbereich abnimmt, liegt sie immer noch über 50%. Insgesamt ist die Winkel- und Polarisationsunempfindlichkeit der Absorption auf die gute Anpassung von Impedanz und Eigendämpfung zurückzuführen [18, 19].

Absorptionskartierung des Solarabsorbers unter einem einstellbaren Einfallswinkel (a ) und Polarisationszustand (b )

Wir führen die Solarabsorptionsuntersuchung weiter durch, indem wir den optimierten Absorber unter die Beleuchtung einer AM 1.5-Quelle setzen. Der Solarabsorber zeigt eine nahezu perfekte Absorption im sichtbaren, nahen und mittleren Infrarotbereich, die die Hauptverteilungsbereiche der Sonnenstrahlungsenergie überspannt (Abb. 4a). Da mehrere Resonanzzustände gleichzeitig auftreten, wird fast die Sonnenenergie von fast eins vom Absorber eingefangen. Diese zeigen die hohe Absorptionseffizienz der Sonnenenergie in einer solchen Struktur. Darüber hinaus tragen die verwendeten feuerfesten Materialien in diesem Absorber dazu bei, die thermische Stabilität dieser Struktur zu erhalten, wenn die Temperatur in einem bestimmten Bereich ansteigt. Daraus kann geschlossen werden, dass unser vorgeschlagener Absorber eine breitere Anwendung in photoelektrischen Geräten findet [50].

a Standardspektrum der Sonnenstrahlung AM 1,5 und Sonnenenergieabsorptionsspektrum des Solarabsorbers unter AM 1,5. b Absorbierte und fehlende Energie des Solarabsorbers im gesamten Spektralbereich der Sonnenstrahlung

Wie in [36] berichtet, beträgt die Kurzschlussstromdichte J _sc für AM1.5 Sonnenbeleuchtung wird beschrieben durch \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{ e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda\right)\mathrm{A}\left(\lambda\right),\) wobei e ist die Elektronenladung, h ist die Planck-Konstante, λ ist die Lichtwellenlänge, Φ_AM1.5 (λ) ist die Sonnenstrahlung bei AM 1,5, A(λ ) ist die Absorption und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Hier haben wir die Kurzschlussstromdichte untersucht, indem wir die Dicke von GaAs-Nanoantennen mit anderen unveränderlichen Parametern verändert haben. Wenn t ₂ von 30 auf 210 nm mit einem Schritt von 30 nm abgestimmt ist, wird der gesammelte Photostrom wie in Abb. 5 gezeigt abgeleitet. Eine starke Regelmäßigkeit mit der Dicke t ₂ wird erhalten, weil J _sc beruht hauptsächlich auf der Anzahl der Resonanzmoden im Bereich von 300–3000 nm. Das maximale J _sc gleich 61,947 mA/cm ² wird erhalten, wenn t ₂ =120 nm, was viel größer ist als das von Meng et al. (30,3 mA/cm ² ) [35].

Kurzschlussstromdichte mit der Dicke der GaAs-Nanoantenne unter dem TM-polarisierten Licht

Schlussfolgerung

Wir präsentieren einen Solarabsorber basierend auf GaAs-Nanoantennen, die von einem einschichtigen ITO auf einer dünnen W-GaAs-Ti-Dreischicht-Stapelstruktur bedeckt sind. Im Wellenlängenbereich von 468-2870 nm wird ein ultra-breitbandiger nahezu perfekter Absorber mit einer durchschnittlichen Absorption von über 95 % erreicht. Die Ultrabreitband-Absorptionseigenschaft stammt aus der Synergie von GMRs, Hohlraummoden und SPPs. Der Ultra-Breitband-Solar-Perfect-Absorber hat auch eine große Temperaturtoleranz, Unempfindlichkeit gegenüber Winkel und Polarisation des einfallenden Lichts und eine beste Kurzschlussstromdichte von bis zu 61,947 mA/cm ² . Diese bieten neue Perspektiven für die Erzielung von Dünnschichtsolarzellen, Solarenergiegewinnung und thermischen Emittern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten.

Abkürzungen

TM:

Quermagnetisch

1D:

Eindimensional

AR:

Antireflexion

GMRs:

Führungsmodusresonanzen

SPPs:

Oberflächenplasmonenpolaritonen

MSM:

Metall-Halbleiter-Metall

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

TE:

Querelektrisch