Numerische Studie eines effizienten Solarabsorbers bestehend aus Metall-Nanopartikeln

Hintergrund

Solarenergiesysteme haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund des übermäßigen Verbrauchs traditioneller Energiequellen und der sich stark verschlechternden Umweltsituation immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In Solaranlagen kann Sonnenenergie mit geringer Umweltbelastung in Strom oder thermische Energie für unterschiedliche Nutzungen umgewandelt werden. Die gegenwärtigen Solarenergiesysteme, wie Thermophotovoltaik-(TPV-)Systeme, solare Dampferzeugungssysteme, solare Wassererwärmungssysteme, sind jedoch ineffizient bei der Energieumwandlung, und für TPV-Systeme wurde theoretisch ein Wirkungsgrad von annähernd 20 % bei geeigneten optischen Bedingungen vorhergesagt [1] , die noch weit davon entfernt ist, flächendeckend produziert zu werden. Viele hocheffiziente Solarabsorber werden entwickelt, um die Energieumwandlungseffizienz in Arten von Solarenergiesystemen zu verbessern. Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPP), lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP) und magnetische Resonanzen werden oft verwendet, um eine nahezu perfekte Absorption in diesen Absorbern zu erreichen. Da Sonnenlicht ein breites Spektrum hat (von 200 bis 3000 nm), erfordert es ein ausreichend breites Absorptionsspektrum, damit Absorber Licht effektiv umwandeln können. Eine in vielen Absorbern angeregte Einzelresonanzmode kann jedoch normalerweise nicht zu einer breitbandigen Lichtabsorption führen. Die übliche Lösung zur Lösung dieses Problems besteht darin, Absorber mit mehreren Resonanzmoden zu konstruieren. Beispielsweise können Mehrschichtsysteme, wie flache Metall-Dielektrikum-Metall-(MDM)-Strukturen [2, 3], MDM-Pyramiden-Mehrschichtstrukturen [4, 5] oder MDM mit Arten von Gitterstrukturen [6], oft zu einer Breitbandabsorption führen aus Mehrfachresonanzen, die zwischen Metall-Dielektrikum-Schichten angeregt werden, solange die Anzahl der Schichten ausreicht. Andere Strukturen, wie Arrays kleiner absorbierender Strukturen [7, 8] oder Strukturen mit sich in ihrer Größe ändernden Gradienten [8], können unterschiedliche Resonanzmoden unterstützen und ebenfalls zu einer Breitbandabsorption führen. Die meisten dieser Designs erfordern ziemlich schwierige Herstellungsprozesse, und die Absorptionseffizienz ist sehr kritisch für die hergestellte Struktur und die Umgebung, die ihre Anwendungen stark beeinflusst.

Außerdem sollten die Absorbermaterialien billig genug sein, was die Möglichkeit einer breiten Produktion bieten kann. Viele berichtete Absorber verwenden jedoch Edelmetalle in ihrer Struktur. Bei diesen Absorbern kann oft eine nahezu perfekte Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts erreicht werden, aber ihre Absorptionsleistung außerhalb dieses Bereichs ist schrecklich [9,10,11,12,13]. Da mehr als 40% der Energie des Sonnenlichts außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums enthalten sind, können diese Absorber in Solarenergiesystemen normalerweise ineffizient sein. Außerdem liegen die Schmelzpunkte von Edelmetallen wie Gold und Silber bei etwa 1000°C, und sie können bei Anwendung in einem Hochtemperatur-Solarenergiesystem leicht schmelzen, was die Stabilität und Effizienz eines Solarenergiesystems ernsthaft beeinflusst. Daher ist Wolfram das übliche metallische Material, das in Solarenergiesystemen verwendet wird. Im Vergleich zu anderen Metallen haben Wolframabsorber oft einen relativ hohen Schmelzpunkt, haben stabile chemische Eigenschaften und zeigen eine hervorragende Leistung bei der Absorption von Breitband-Solarlicht [14]. Diese Vorteile machen Wolfram zu einer unverzichtbaren Rolle im Solarenergiesystem.

In diesem Artikel schlagen wir einen Breitband-Solarlichtabsorber vor, der auf dem Design von Nanopartikel-Dielektrikum-Mehrfachschichten und der Anwendung von Wolfram und Eisen in der Struktur basiert. Das Papier ist wie folgt aufgebaut. Zunächst stellen wir den 3D-Absorber vor und zeigen die Simulationsergebnisse. Anschließend werden wir den Absorptionsmechanismus des Absorbers veranschaulichen und diese Struktur mit der flachen MDM-Struktur vergleichen, um einen tieferen Einblick zu erhalten. Darüber hinaus wird es eine Diskussion zwischen Eisen-Nanopartikel-Absorbern und Wolfram-Nanopartikel-Absorbern hinsichtlich ihrer Leistung geben, wenn sie in dieser Struktur angewendet werden.

Methoden

Die Grundstruktur des Metall-Nanopartikel-Absorbers (NPA) ist in Abb. 1a dargestellt. Der Absorber besteht aus mehreren Metall-Nanopartikel-Dielektrikum-(MD)-Schichten. Die Metallnanopartikelschicht besteht aus eng angeordneten Nanopartikeln mit quadratischer Anordnung in kubischem Gitter eingebettet in SiO₂ Schicht. Der Durchmesser der Nanopartikel beträgt 20 nm und es gibt keine Lücke zwischen den benachbarten Nanopartikeln. Die dielektrische Schicht ganz oben in der Struktur wird verwendet, um die Metallpartikel vor Oxidation zu schützen. Eine Elementarzelle von einschichtigem NPA ist in Fig. 1b aufgetragen. Die obere dielektrische Schicht dient zum Schutz des Metalls vor Oxidation und hat die gleiche Dicke wie die untere dielektrische Schicht. Somit ist das Metallpartikel in der Mitte der gesamten dielektrischen Schicht eingebettet. Wolfram wurde aufgrund seiner hervorragenden Leistung im TPV-System als metallischer Teil der Struktur gewählt [14], und wir wählten Siliciumdioxid als dielektrischen Teil des Absorbers wegen seines relativ niedrigen Brechungsindex. Die Entwicklung moderner Nanofabrikationstechniken, wie der Elektronenstrahllithographie [15], des fokussierten Ionenstrahlfräsens [16], des Magnetron-Sputtering-Verfahrens [17] oder der Selbstorganisation von Kolloiden [18], ermöglicht die Herstellung von in dieses Papier [19, 18, 20, 21, 22].

a Grundstruktur eines metallischen Nanopartikel-dielektrischen Absorbers (NPA). Alle dielektrischen Schichten haben eine Dicke von hh (100 nm). Der Durchmesser dd von Metallnanopartikeln beträgt 20 nm. b Eine Elementarzelle der Einzel-MD-Schicht-NPA-Struktur. Zeitraum P = dd = 20 nm

Für die Simulation verwenden wir die 3-D-Finite-Differenz-Zeitbereichs-(FDTD)-Methode. Die entsprechende Software ist Lumerical FDTD. Die Brechungsindizes des Dielektrikums (SiO₂ ) und Metall (Wolfram) werden beide aus den Versuchsdaten übernommen [23, 24]. Da die Metall-Nanopartikel-Schichten aus unendlichen kontinuierlichen Nanopartikeln bestehen, wählen wir als Simulationsmodell eine Metall-Nanopartikel-Zelle. Wir zeichnen eine Elementarzelle der periodischen einschichtigen NPA-Struktur in Abb. 1b. Ein normal einfallendes TM-Licht fällt entlang des negativen y Richtung mit der Polarisation entlang der x Richtung. Daher ist der Simulationszeitraum P ist gleich dem Durchmesser des Metallnanopartikels (20 nm). Die minimale Maschenweite ist auf 0,1 nm festgelegt. In Abb. 1b wird eine periodische Randbedingung für eine einzelne Elementarzelle angenommen. Am unteren und oberen Ende der Struktur werden Perfect-Match-Layer (PML) übernommen. Die Extinktion wird berechnet als A = 1 − R − T , wobei R ist die Spiegelung und T ist die Übertragung. Die Dicke des Metallsubstrats ist auf 300 nm festgelegt, was viel größer ist als seine typische Eindringtiefe, um das Durchlassen von Licht zu vermeiden. Somit gibt es im gesamten Frequenzbereich fast keine Transmission und die Absorption des Absorbers kann als A . berechnet werden = 1 − R .

Ergebnisse und Diskussion

Für einschichtiges NPA ist die Absorptionsleistung in Fig. 2 dargestellt, die mit der Dicke der dielektrischen Schicht hh variiert. In Abb. 2 werden zwei unterschiedliche Regime beobachtet, nämlich das Regime der dünnen dielektrischen Schicht (hh < 100 nm) und das Regime der dicken dielektrischen Schicht (hh > 100 nm). Bei der dünnen dielektrischen Schicht wird das gut absorbierende Band mit der Zunahme der Dicke hh verbreitert. Im Bereich der dicken dielektrischen Schicht tritt jedoch eine absorbierende Vertiefung in einem kürzeren Wellenlängenbereich auf, und der gut absorbierende Bereich schrumpft, wenn die dielektrische Schicht dicker wird. Wir wählen in unserer folgenden Studie hh = 100 nm aufgrund der relativ guten Absorptionsleistung über das Betriebsband und auch aufgrund der Tatsache, dass kein offensichtlicher Absorptionsabfall im sichtbaren Bereich auftritt.

a , b Absorptionsleistung für einlagiges NPA variiert mit der Dicke des Dielektrikums hh

Wenn nur eine MD-Schicht in der Struktur vorhanden ist, wird im Wellenlängenbereich von 400 bis über 1600 nm eine Absorption von über 80 % erreicht, was bereits viele berichtete Solarabsorber übertrifft. Mit mehr aufgetragenen MD-Schichten kann die Absorptionsleistung des Absorbers weiter verbessert werden. Wir stellen die Absorptionsleistung von NPA mit unterschiedlicher Anzahl von MD-Schichten in Abb. 3 dar. Wenn mehr MD-Paare auf die NPA-Struktur aufgebracht werden, nimmt die Absorption bei längeren Betriebswellenlängen stark zu. Bei vier aufgetragenen MD-Schichten kann die Extinktion des entsprechenden Absorbers für den Wellenlängenbereich von 400 bis 2500 nm, in dem der größte Teil des Sonnenlichtspektrums enthalten ist, fast 80 % überschreiten. Mit acht auf den NPA aufgebrachten MD-Schichten wird im größten Teil des Wellenlängenbereichs von 400 bis 2500 nm eine Extinktion von über 90 % erreicht. Bei 12 MD-Paaren, die auf den NPA angewendet werden, übersteigt die Absorption 90% in der gesamten Betriebswellenlänge.

a , b Absorption der NPA-Struktur bei mehreren aufgetragenen Schichten. N -layer NPA bedeutet, dass NPA mit N MD-Paare

Um die Beziehung zwischen der Absorptionsleistung des NPA-Absorbers und der Anzahl der MD-Paare in der NPA-Struktur weiter zu veranschaulichen, berechnen wir die durchschnittliche Absorption von NPA-Absorbern, die mit unterschiedlicher Anzahl von MD-Paaren variiert. Die durchschnittliche Absorption kann berechnet werden als

wo λ ₁ und λ ₂ beträgt in unserem Fall 2500 bzw. 400 nm. Die Beziehung zwischen der Anzahl der MD-Schichten und der durchschnittlichen Absorption ist in Abb. 4 dargestellt. Mit der Zunahme der MD-Paare steigt die durchschnittliche Absorption von 68,5% (einzelne MD-Schicht) auf 95,4 % (12 MD-Schichten). Wenn die Anzahl der MD-Paare mehr als 8 beträgt, scheint das Wachstum der durchschnittlichen Absorption seine instinktive Grenze zu erreichen und wird relativ langsam sein. Laut Berechnung erreicht die durchschnittliche Extinktion von NPA mit mehr als fünf MD-Schichten über den Wellenlängenbereich von 400 bis 2500 nm bis zu 90 %. Dieser Absorber übertrifft viele der zuvor berichteten Absorber sowohl in der Absorptionseffizienz als auch in der perfekten Absorptionsbandbreite.

Durchschnittliche Extinktion als Funktion der Anzahl der MD-Schichten

Wie bereits erwähnt, kann die NPA-Struktur selbst mit nur einem MD-Paar eine hohe Absorption erzielen. Um die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die für die hohe Absorption der einschichtigen NPA-Struktur verantwortlich sind, zeichnen wir ihre räumliche Verteilung des elektrischen Felds in Abb. 5. Abbildung 5a ist die Verteilung der elektrischen Feldstärke der einschichtigen NPA-Struktur in der Ebene y = 0 Mit einfallendem Licht, das entlang x . polarisiert ist Richtung wird das elektrische Feld verstärkt und um die Nanopartikel begrenzt. Ein solches Feldprofil legt nahe, dass die Absorption der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) zugeschrieben werden kann [25]. Um dies besser zu zeigen, zeichnen wir die Größenverteilung des elektrischen Felds im Querschnitt des Teilchens im z = 115 nm-Ebene (in Abb. 1b markiert) in Abb. 5e. An beiden Seiten der Metallpartikel entlang der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts tritt eindeutig eine Verstärkung des elektrischen Felds auf. Aufgrund der engen Anordnung der Nanopartikel führt das LSPR um die Partikel herum, die mit benachbarten LSPR koppeln, zu einer hohen Absorption der NPA-Struktur. Die Kopplung benachbarter LSPR verbraucht Licht und führt zu einer hohen Absorption der NPA-Struktur.

Verteilung der elektrischen Feldstärke (log₁₀ |E /E ₀ |) von Single-MD-Layer-NPA:Verteilung der elektrischen Feldstärke in y = 0 Ebene bei Wellenlänge a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm und d 1580 nm; e Verteilung der elektrischen Feldstärke (|E /E ₀ |)in z = 115 nm-Ebene bei der Wellenlänge 905 nm

Verglichen mit dem Einzel-MD-Paar-NPA ist die Absorptionsleistung im längeren Wellenlängenbereich für die NPA-Struktur mit mehreren MD-Paaren stark verbessert. Um dieses Phänomen zu veranschaulichen, tragen wir die räumliche elektrische Verteilung der Acht-MD-Paar-NPA-Struktur in Abb. 6 auf. Für Licht unterschiedlicher Wellenlängen sind die Feldstärkenverteilungen unterschiedlich. Bei Licht mit kürzerer Wellenlänge (Abb. 6a, b) wird es hauptsächlich von den oberen MD-Schichten absorbiert. Die elektrische Feldstärke und die Feldbegrenzung um das Nanopartikel in den unteren Schichten der Struktur sind schwach. Während für längere Wellenlängen (Abb. 6c, d) die Begrenzung des elektrischen Felds offensichtlich in allen MD-Schichten vorhanden ist und LSPR nicht nur um die oberen Partikelschichten, sondern auch um die unteren Partikelschichten herum stark auftritt. Dies bedeutet, dass bei der NPA-Struktur mit mehreren MD-Paaren die unteren MD-Schichten nicht gut daran teilnehmen, einfallendes Licht kürzerer Wellenlänge zu absorbieren. Stattdessen kann das längerwellige einfallende Licht gut absorbiert und in den unteren MD-Schichten in LSPR umgewandelt werden. Somit wird das Hinzufügen von MD-Paaren zu der NPA-Struktur die Absorptionsleistung der NPA-Struktur für Licht längerer Wellenlänge stark verbessern, was gut der Absorptionskurve in Fig. 3a entsprach. Dies erklärt auch den Grund, warum die Absorptionskurven für verschiedene MD-Paare in der NPA-Struktur in Fig. 3b anscheinend im längeren Wellenlängenbereich zunehmen, aber bei kürzeren Wellenlängen mit der Zunahme der MD-Paare zusammenlaufen.

Elektrische Größenverteilung (log₁₀ |E /E ₀ |) der acht-MD-Paar-NPA-Struktur im y = 0 Ebene bei a 441 nm, b 638 nm, c 1580 nm und d 2500 nm. p1–p8 repräsentieren die acht Partikel in der einen Elementarzelle der Acht-MD-Paar-NPA-Struktur

Um einen tieferen Einblick in die NPA-Struktur zu erhalten, berechnen wir die Absorptionsleistung eines ähnlichen Absorbers – FMA (flacher MDM-Absorber, aufgetragen in Abb. 7). Die Absorptionsspektren bei verschiedenen Metallschichtdicken hd sind in Abb. 8 aufgetragen. Die Schichtdicke von SiO₂ ist auf 100 nm festgelegt, was der NPA-Struktur entspricht. Bei dickeren Metallschichten nimmt die Absorption der FMA-Struktur ab. Die Extinktion über 90 % wird für den Wellenlängenbereich von 400 bis 1500 nm bei hd = 10 nm erreicht. Wenn jedoch die Metallschichtdicke hd auf 20 nm eingestellt wird, was der Metallschichtdicke der NPA-Struktur entspricht, sinkt die Absorptionseffizienz von FMA offensichtlich. Dies ist leicht zu verstehen, denn wenn die Metallschichten dicker werden, wird das Reflexionsvermögen der Struktur deutlicher und die Extinktion nimmt dadurch ab. Die selektive Absorption von FMA ist besser als die von NPA. Wenn die Wellenlänge über 2500 nm liegt, liegt die Absorption unter 20 %. Obwohl viele MDM-Absorber zur Absorption von Sonnenlicht vorgeschlagen werden [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], übertrifft die Absorptionsleistung unseres FMA viele andere MDM-Absorber. Die Absorptionseffizienz von FMA ist hoch und die Absorptionsbandbreite ist ziemlich breit. Ein weiterer Vorteil von MDM ist die Absorptionsselektivität von FMA. Wenn die Wellenlänge über 2500 nm liegt, liegt die Absorption unter 20 %, was die Anwendung in selektiven Solarenergiesystemen wie TPV-Systemen ermöglicht. Außerdem beträgt die Dicke der Metallschichten in FMA 10 nm, was dicker ist als beim MDM-Absorber in Refs. [31, 32] und erleichtert die Herstellung. Diese Vorteile sind alle auf die Verwendung von Wolfram in der FMA-Struktur anstelle von Edelmetallen zurückzuführen, die üblicherweise in MDM-Absorbern verwendet werden.

Diagramm eines flachen Metall-Dielektrikum-Mehrschichtabsorbers (FMA)

Absorptionsspektren der 8-MD-Paar-FMA variieren mit der Metalldicke hd. Die Dicke der dielektrischen Schicht hh wird auf 100 nm festgelegt

Bei den MDM-Absorbern basiert ihr Absorptionsvermögen für Licht häufig auf der Fabry-Perot-Resonanz [2, 6, 33]. Wenn der Struktur mehr MD-Paare hinzugefügt werden, erscheint aufgrund der Fabry-Perot-Resonanz ein zusätzlicher Absorptionspeak im Absorptionsspektrum für FMA. Um dies besser zu veranschaulichen, zeichnen wir als Beispiel eine dreischichtige FMA. Abbildung 9 zeigt die Absorptionsleistung von dreischichtigem FMA, die mit der Dicke des Dielektrikums hh variiert. Sowohl für Abb. 9a als auch für Abb. 9b treten im Spektrum drei absorbierende Peaks auf, die aus der Fabry-Perot-Resonanz resultieren [2, 6]. Die Resonanzwellenlänge der Fabry-Perot-Resonanz nimmt mit der Kavitätsdicke zu [2, 6]. Hier verbreitert sich die Absorptionsbande mit der Zunahme der Dicke der dielektrischen Schicht hh zu einem längeren Wellenlängenbereich, und die Absorptionsbande weist in Fig. 9 eine Rotverschiebung auf.

Absorptionsspektren der dreischichtigen FMA als a hd = 20 nm und b hd = 10 nm variiert mit der Dicke des Dielektrikums hh. Schwarze Kreise markieren Resonanzspitzen

Dies geschieht auch mit der NPA-Struktur. Für das Absorptionsspektrum in Abb. 2a sollte der Absorptionspeak, der um 1000 nm erscheint, das Ergebnis der Febry-Perot-Resonanz sein. Wenn es drei MD-Paare in NPA gibt, gibt es auch drei Absorptionspeaks im Absorptionsspektrum (in Abb. 10 gezeigt) als Absorptionsspektrum von Dreischicht-FMA in Abb. 9. Wenn jedoch acht MD-Paare angewendet werden auf NPA, die absorbierenden Peaks verschmelzen miteinander; es gibt nur einige absorbierende Peaks, die bei längeren Wellenlängen beobachtet werden können. Wenn die Dicke der dielektrischen Schicht in Abb. 10 erhöht wird, verschiebt sich das Absorptionsspektrum rot. Aufgrund der Ähnlichkeiten des Absorptionsspektrums der dreischichtigen FMA und NPA können wir folgern, dass die hervorragende Absorptionsleistung von NPA auch aus der Fabry-Perot-Resonanz resultieren sollte. Daher gibt es sowohl LSPR- als auch Fabry-Perot-Resonanz in NPA. Die hervorragende Absorptionsleistung sollte das Ergebnis der Existenz von LSPR und Fabry-Perot-Resonanz sein.

Die Absorptionsspektren variieren mit der Siliziumdioxidschichtdicke hh in a die dreischichtige NPA-Struktur und b die achtschichtige NPA-Struktur

Als Metall wählen wir für diesen Absorber Wolfram. In unserer früheren Arbeit [34] haben wir gezeigt, dass Eisen ein ausgezeichneter Kandidat für die Anwendung in Solarlichtabsorbern sein kann. Wie in Abb. 11 dargestellt, vergleichen wir die Absorptionsleistung der Wolfram-Nanopartikelstruktur mit der Leistung von Absorbern, die aus anderen Metallnanopartikeln unter derselben Struktur bestehen. Für Eisenabsorber wird eine Absorptionseffizienz von über 92 % für den Wellenlängenbereich von 400 bis 2500 nm erreicht. Die gut absorbierende Bandbreite des Eisenabsorbers (ca. 2,1 μm) übersteigt die Bandbreite des Wolframabsorbers (ca. 1,8 μm). Die Absorptionseffizienz des Goldabsorbers und Silberabsorbers erreicht in engen Wellenlängenbereichen lediglich 90 %. Ihre Absorptionsleistung ist viel schlechter als die der Wolfram- und Eisenabsorber unter dieser Struktur. Dieses Ergebnis entspricht gut unserer früheren Arbeit [34], die auch zeigt, dass Eisenabsorber aufgrund der gut übereinstimmenden Bedingung zwischen der Impendenz des Eisenabsorbers und der Impendenz des freien Raums oft eine bessere Absorptionsleistung gegenüber Edelmetallen aufweisen. Edelmetalle sind für ihre hervorragende Absorptionsleistung von sichtbarem Licht im Bereich der Sonnenlichtabsorption bekannt. Sie werden jedoch in TPV-Systemen normalerweise nicht als Absorber oder Emitter verwendet, da sie das Licht außerhalb des sichtbaren Lichtbereichs nicht gut absorbieren können. Außerdem sind ihre Schmelzpunkte relativ niedrig (ca. 1000 °C), was ihre Anwendung in Solarenergiesystemen ernsthaft behindert.

Absorption der achtlagigen NPA-Strukturen mit verschiedenen aufgetragenen Metallen

Wie die Wolfram-NPA-Struktur weist auch das Absorptionsspektrum der Eisen-NPA-Struktur eine Rotverschiebung mit zunehmender Siliziumdioxidschichtdicke hh auf (in Abb. 12 aufgetragen). Die Absorptionseffizienz liegt für das gesamte Betriebswellenband fast über 90 %, abgesehen von einem Absorptionsabfall eines Wellenlängenbereichs von 100 nm, der auftritt, wenn die Schichtdicke hh über 100 nm liegt. Im Vergleich zu Fig. 7 übertrifft die Gesamtabsorptionsleistung der Eisen-NPA-Struktur die der Wolfram-NPA-Struktur. Die durchschnittliche Absorption von Eisen-Nanopartikeln (94,88 %) und Wolfram-Nanopartikeln (94,09 %) übertrifft die von Gold- (64 %) und Silber- (28,4 %) Nanopartikeln. Die hervorragende Absorptionsleistung macht Eisen zu einem vielversprechenden alternativen Material für Wolfram in Solarenergiesystemen. Außerdem ist Eisen kostengünstiger als Wolfram. Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 1500 °C und ist höher als der von Edelmetallen. Für Wolfram ist die chemische Stabilität eine der entscheidenden Eigenschaften in Sonnensystemen. Eine Legierung aus Eisen und Wolfram kann die Vorteile der beiden Metalle aufweisen. Wir vergleichen ihre Reflexionsindizes weiter in Abb. 13. Daten von Gold und Silber wurden aus Referenz [35] übernommen. Es zeigt, dass die optischen Eigenschaften von Wolfram und Eisen insbesondere für den imaginären Teil ihrer Reflexionsindizes sehr ähnlich sind, was zu ihren ähnlichen Absorptionsleistungen in der NPA-Struktur führt.

Mit der Schichtdicke hh variierende Absorptionsspektren in der achtschichtigen Fe-NPA-Struktur

Vergleich der a Realteil des Brechungsindex und b der Imaginärteil des Brechungsindex häufig verwendeter Metalle

Für die NPA-Struktur kann die Herstellung solcher gleichförmiger kleiner Partikel schwierig sein. Daher ist eine Bohrlochrobustheit für die vorgeschlagene Struktur erforderlich. In Abb. 14a, b haben wir die Absorptionsleistung von Strukturen mit unterschiedlichen Formen und Größen berechnet. Für unterschiedliche Größen von Nanopartikeln bleibt die Absorption der Struktur bei fast der Betriebswellenlänge über 90%. Wenn wir die kugelförmigen Nanopartikel in ellipsoide Nanopartikel in der NPA-Struktur umwandeln, nimmt die Absorption ab (dargestellt in Abb. 4b). Bei E1- und E2-Bedingungen, bei denen das elektrische Feld entlang der Hauptachse der Ellipsoidteilchen verläuft, sinkt die Absorption hauptsächlich im Wellenlängenbereich über 1700 nm und die Absorption bei der kürzeren Wellenlänge, in der der größte Teil der Sonnenenergie verteilt wird, bleibt fast gleich . Die durchschnittliche Absorption liegt in diesen beiden Fällen bei über 90 %. Wenn das elektrische Feld entlang der Nebenachse der Ellipsoidteilchen verläuft, ändert sich die Absorption dramatisch. Daher sollte die Richtung der Hauptachse des ellipsoidförmigen Nanopartikels während der Herstellung so gehalten werden, dass sie mit der Richtung des elektrischen Felds übereinstimmt.

a Absorptionsspektrum der NPA-Struktur variiert mit der Nanopartikelgröße. b Absorptionsspektrum der NPA-Struktur für Nanopartikel mit unterschiedlichen Formen. S Kugel, E Ellipsoid, a der Halbdurchmesser der Hauptachse des Ellipsoids, b ist der Halbachsenhalbdurchmesser des Ellipsoids. Für E1 und E2 liegt das elektrische Feld in Richtung der Hauptachse. Für E3 ist das elektrische Feld entlang der Nebenachsenrichtung

Außerdem ist die Dämpfungskonstante von Wolfram-Nanopartikeln aufgrund von Oberflächenstreuung und Korngrenzeneffekten oft größer als die des massiven Wolframs. Nach den Daten in Lit. [36] berechnen wir die Absorption der Struktur unter Verwendung der erhöhten Dämpfungskonstante von Wolfram neu. Das Ergebnis ist in Abb. 15 aufgetragen. Wenn die Dämpfungskonstante von Wolfram zunimmt, bleibt die Absorption bei der kürzeren Wellenlänge (von 400 bis 1700 nm) nahezu unverändert, während die Absorption bei der längeren Wellenlänge (von 1700 bis 2500 nm) zunimmt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass mit zunehmender Dämpfungskonstante von Wolfram im Infrarotbereich der Imaginärteil seiner Permittivität im Infrarotbereich zunimmt [36] und zu einer Zunahme der Absorption führt. Die Änderung der Permittivität von Wolfram ist bei längeren Wellenlängen offensichtlicher als bei kürzeren Wellenlängen. Daher ändert sich die mit der erhöhten Dämpfungskonstante berechnete Absorption bei längeren Wellenlängen ein wenig, während sie bei kürzeren Wellenlängen nahezu unverändert bleibt.

Absorption mit unterschiedlicher Dämpfungskonstante von Wolfram

Bisher haben wir die NPA-Struktur und die FMA-Struktur und ihre Absorptionsleistungen und Absorptionsmechanismen und die Metalle, die in ihnen verwendet werden können, um eine hohe Absorption zu erreichen, diskutiert. Die Anwendungen dieser Absorber können jedoch unterschiedlich sein. In TPV-Systemen sind die gut selektiven Absorptionseigenschaften oft erforderlich, um die thermische Emission des Solarabsorbers zu reduzieren. Daher sind mehrschichtige NPA-Strukturen, deren Absorptionsleistung in Abb. 3b aufgetragen ist, aufgrund der hohen Wärmeemission über 2500 nm nicht für die Verwendung in TPV-Systemen geeignet. Die NPA-Struktur mit einigen MD-Schichten (Absorptionsspektrum in Abb. 3a aufgetragen) und FMA-Struktur (Absorptionsspektrum aufgetragen in Abb. 9) können jedoch aufgrund der geringen thermischen Emission über 2500 nm im TPV-System verwendet werden. Für mehrschichtige NPA-Strukturen könnten sie in anderen Solarenergiesystemen nützlich sein, in denen keine gut selektive Absorptionsleistung erforderlich ist, wie z. B. die solare Dampferzeugung [37], Abwasserbehandlungssysteme und Wasserheizsysteme.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen hocheffizienten Breitbandabsorber vorgeschlagen, der aus Wolfram-Nanopartikelschichten und SiO₂ . besteht Schichten auf der Oberseite eines Metallsubstrats. Mit acht aufgebrachten MD-Schichten kann der Absorber für den größten Teil des Wellenlängenbereichs von 400 bis 2500 nm eine Absorption von über 90 % aufweisen. Die Absorptionseffizienz dieses Absorbers übertrifft die Absorptionseffizienz vieler anderer Solarlichtabsorber, was viele Möglichkeiten für den Absorber zur Anwendung in Solarenergiesystemen wie Solardampferzeugung, Solarwassererwärmung und Abwasserbehandlungssystemen bietet. Außerdem haben wir den NPA-Absorber mit FMA verglichen und festgestellt, dass die hervorragende Absorptionsleistung des NPA-Absorbers aus LSPR und Fabry-Peort-Resonanz resultiert. Wir vergleichen außerdem die Absorptionsleistung mehrerer üblicher Metall-Nanopartikel-Absorber unter den gleichen Strukturparametern. Die Ergebnisse zeigen, dass Eisen ein vielversprechender Materialkandidat für Wolfram in Solarabsorbern sein kann. Alle diese Simulationsergebnisse helfen bei der Entwicklung neuartiger Solarlicht absorbierender Zellen in Solarenergiesystemen, und die von uns vorgeschlagenen Absorber sind vielversprechend für den Einsatz in realen Anwendungen.

Abkürzungen

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

FMA:

Flat metal-dielectric multilayer absorber

LSP:

Localized surface plasmon

NPA:

Nanoparticle absorber

TPV:

Thermo-photovoltaic