Diseño de nano-metaabsorbente en forma de matriz de parche hexagonal dividido con absorción de banda ultra ancha para aplicación de espectro visible y UV

Introducción

La ingeniería de materiales ha contribuido a la historia humana del desarrollo desde la antigüedad, y el "metamaterial" pronto será uno de los avances fundamentales en la dirección. "Meta", que denota un cambio en el género del material, muestra características dieléctricas únicas como permitividad negativa y permeabilidad, fáciles de fabricar [1]. La potencialidad de aplicación diferente [2, 3] en metamaterial hace que varios investigadores de todo el mundo sientan más curiosidad por realizar innovaciones de referencia en sus respectivos campos de investigación. La conversión de energía fotónica desde el rango de frecuencia visible e incorporarla en la recolección de energía, específicamente en la investigación de energía basada en células solares, es una de las áreas prometedoras en absorbedores de metamateriales [4, 5, 6]. Las ondas de luz de espectro visible o rango UV nos rodeaban siempre sin problemas graves y con una abundante cantidad de energía. Entre todas las técnicas de utilización establecidas, las tecnologías fotovoltaicas (FV) se aplican ampliamente a la aplicación de campo y, en los últimos años, se ha propuesto el método más moderno para mejorar el rendimiento y equilibrar los desafíos futuros de energía verde. . Por ejemplo, células simples, multicristalinas y policristalinas para mejorar la eficiencia, desarrollo fotovoltaico utilizando perovskitas de haluro metálico, fotovoltaica orgánica y de punto cuántico para mejorar la eficiencia de conversión de energía, calidad optoelectrónica de los materiales fotovoltaicos relevantes que afectan la salida de energía [7], etc. sobre. Además, se utilizan métodos de fabricación de materiales como la deposición secuencial de una capa de perovskita fotovoltaica de alta calidad [8], perovskitas fotovoltaicas revestidas e impresas [9], el reciclaje de fotones [10] o un algoritmo basado en la analogía del centroide en el punto de máxima potencia [11], etc. enfocado a mejorar la eficiencia de la celda solar.

Además, también se ha explorado un campo potencial de recolección de energía solar utilizando una combinación de antena y rectificador (diodo) conocido como "rectenna" para mejorar la eficiencia de una celda fotovoltaica típica. Las rectennas se han estudiado principalmente para la transmisión de energía basada en microondas, ya que es muy eficiente para convertir la energía de microondas en electricidad. Por ejemplo, un prototipo patentado [12] utilizando nanotecnología enfocado a convertir la luz en electricidad con mayor eficiencia y actualmente compatible con la celda solar tradicional. El procedimiento experimental muestra que la rectenna colocada debajo de un módulo fotovoltaico dio una salida de 380 a 480 W / m ² con un módulo combinado aumentado de 10 a 20% a 38 a 40%. Debido a la restricción de la técnica de nanofabricación, la mayor parte del prototipo opera en el rango del infrarrojo lejano en lugar del espectro visible. Se puede esperar que el desarrollo de la nanotecnología acelere aún más este enfoque. Por lo tanto, artículos recientes adoptaron una estrategia diversa para recolectar energía solar, como la hibridación de energía solar RF por la antena transparente multipuerto [13] logró una eficiencia del 72,4% con una eficiencia de conversión de RF a CC del 53,2%. Nanoantena dipolo evolutiva (EDN) [14] fabricada por litografía de haz electrónico dedicada a la optimización de la eficiencia para la recolección donde la eficiencia aumentó del 30% al 40% en comparación con la nanoantena dipolo clásica (CDN). Metal-aislante-metal (MIM) integrado con SiO ₂ El túnel [15] muestra una eficiencia de conversión superior al 90%, Zhang y Yi [16] propusieron un enfoque similar utilizando nano-rectenna en forma de pajarita y afirmaron una eficiencia de conversión del 73,38%. Del mismo modo, la rectenna inspirada en metamaterial con un resonador 'Fabry-Perot (FP)' integrado con diodos Schottky [17] demostró un factor Q alto y una mejora del rendimiento de 16 veces, la rectenna óptica inspirada en el metamaterial y desarrollada por modelos semiclásicos declara alta eficiencia, célula solar de bajo coste [18]. No solo eso, se exploraron varias variaciones en las características del metamaterial como metamaterial conmutable con bifuncionalidad de absorción [19], metasuperficie delgada basada en dióxido de vanadio, metasuperficie inspirada en germanio para detección sintonizable [20]. Aparte de la idea convencional de recolección de energía, la mayor parte del absorbedor o antena de metamaterial se desarrolló para la recolección de energía de RF en lugar del espectro visible. La recolección de energía en estos artículos [21, 22] no puede contribuir a la célula solar.

Investigaciones recientes en la rectenna de rango de THz o nano-rectenna inspirada en absorbedores de metamateriales aún están en experimentación o análisis de laboratorio debido a varias limitaciones como la adaptación de impedancia, la integración entre la celda unitaria y la celda fotovoltaica, alimentación de energía convertida de la celda unitaria a la unidad fotovoltaica, eficiencia de conversión de fotones , pérdidas de transporte, etc. Además, es probable que las células fotovoltaicas degraden el rendimiento con parámetros ambientales y una banda de absorción estrecha en el espectro visible. Sin embargo, la antena o absorbedor a nanoescala se está explorando mediante la adopción de técnicas avanzadas de diseño y fabricación, como el absorbedor plasmónico de estructura omnidireccional [23] con una eficiencia de recolección de aproximadamente el 38%, el colector electromagnético de antena de sustrato flexible (NEC) [24] muestra un 90% de absorción al superar la óptica comportamiento de los materiales y limitaciones de fabricación. Las propiedades ópticas y eléctricas únicas de la estructura a nanoescala [25,26,27,28,29] revelan una variedad de porcentajes de absorción con características dinámicas del material. Aunque la mayor parte de la estructura sofisticada informada sigue siendo difícil de aplicar en la captación de energía solar, algunos absorbentes de metamaterial se utilizan para la aplicación prevista de forma experimental [30, 31]. Con la antena convirtiendo la onda EM incidente en una señal de CA, el diodo puede rectificarla al voltaje de CC utilizable. Se puede obtener más del 90% de la eficiencia de conversión en las frecuencias de radio. Sin embargo, es tremendamente difícil extender la rectenna al régimen óptico debido al complicado proceso y la respuesta demasiado lenta de la rectificación basada en diodos. H. Barlow informó en 1954 de un trabajo poco conocido sobre una conversión fotoeléctrica directa sin diodo, conocido como efecto Hall dinámico (DHE). Se propuso producir voltaje de CC a través de la acción conjunta de campos eléctricos y magnéticos dinámicos de los incidente de radiación. Este efecto es exhibido teóricamente por todos los materiales conductores y es aplicable a espectros EM completos desde microondas a frecuencias visibles con una respuesta rápida [32]. Por lo tanto, un campo potencial de mejora de la eficiencia del sistema de recolección de energía solar utilizando metamaterial aún debe explorar, analizar y redesplegar todas las técnicas disponibles para acelerar la eficiencia típica de las células solares a nivel de aplicación.

En este trabajo, presentamos un absorbente de metamaterial SHPA sobre material de triple nanocapa con características DNG simuladas tanto en régimen visible como UV para la captación de energía solar. Se siguió el método analítico de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) para la formación de la estructura, el análisis y el CST Microwave Studio (MWS) 2017 disponible comercialmente utilizado para la simulación. Por lo tanto, las condiciones de contorno estándar aplicadas para el análisis de propagación de ondas, así como la polarización del plano TE, TM también se modelaron para la absorción de gran angular. Para absorber metamaterial nano-rango optimizado para la estructura, los algoritmos genéticos (GA) se han aplicado con éxito en muchos diseños diferentes para obtener un resultado positivo [33, 34]. Por lo tanto, el absorbedor propuesto adoptó un algoritmo similar [33] para encontrar las características del material de índice negativo (NIM). La Figura 1c ilustra el dominio de diseño de celda unitaria optimizado para GA donde nano dividió la forma Hexa y dividió la cuadrícula de 10 × 7. Dentro de la cuadrícula, una cuadrícula subdividida de 3 × 3 representa una forma hexagonal. El mecanismo real es la interpolación de datos para obtener una absorción mejorada que varía la dimensión geométrica mientras se conserva la forma de la nanoestructura. El objetivo de esta GA es extraer metamaterial SHPA para la frecuencia visible con las máximas características posibles de NIM. Parámetro de dispersión evaluado durante la simulación procesada al programa MATLAB para extraer la caracterización y el análisis de propiedades relevantes. La investigación numérica muestra más del 95% de absorción en ambos regímenes de frecuencia con características significativas de metamateriales zurdos. Por lo tanto, la SHPA propuesta con una validación más elaborada puede demostrar su campo de aplicación potencial, como la recolección de energía solar, el proceso de acumulación de fotones para una célula solar o la amplificación fotónica.

Nano-metaabsorbente SHPA. un Dimensión física. b Configuración de simulación. c Ilustración de codificación optimizada para GA

Metodología y diseño computacional

El absorbente de metamaterial SHPA se modeló como un sustrato de doble capa, arseniuro de galio (GaAs) y níquel (óptico), y la capa de parche se diseñó en oro (Au). Un GaAs de 80 nm de espesor con permitividad con pérdida de 12,94 y Ni de 100 nm de espesor (Fig. 1a). La Tabla 1 muestra la dimensión detallada de la estructura de la celda unitaria. El grosor del parche SHPA es de 90 nm y la película de Au es insignificante para un campo magnético localizado, conductividad isotrópica de 4,1 × 10 ⁷ S / m [35]. Según el "tensor de conductividad anisotrópico de Drude" [36], solo se considera el componente Z del campo magnético local. Porque una componente ortogonal de los otros dos ejes es mucho más débil que la componente Z. Durante la simulación, condiciones de contorno periódicas en las direcciones X e Y aplicando PEC (conductor eléctrico perfecto) y PMC (conductor magnético perfecto) respectivamente en la capa superior e inferior (Fig. 1b). La conductividad anisotrópica en las celdas unitarias se aseguró mediante la incorporación de un campo magnético localizado. Se simularon los parámetros S de SHPA, que van desde 430 THz a 1000 THz con un tamaño de paso de 100 THz. El rango de reflexión (R), transmisión (T) y absorción (A) obtenido por A =1-T-R donde | S ₁₁ | ² =R y | S ₂₁ | ² =T. Onda plana de campo eléctrico definida por E = E _x Porque ( ωt + kz ) propagándose hacia el eje Z donde E _x es la amplitud del campo eléctrico, ω es la frecuencia angular, t es el tiempo y k es el número de oleada.

El desarrollo de la estructura geométrica para metamaterial sugerido por Pendry [37] es ampliamente aplicable para el rango de microondas pero el régimen de THz, es decir, la frecuencia visible y óptica muestra grandes desventajas en la permeabilidad negativa y el sustrato multicapa de propagación paralela. Así, un enfoque de diseño alternativo [38] metal-dieléctrico-metal ilustra una buena respuesta como dipolo magnético resonante para la propagación normal a la estructura que demuestra permeabilidad negativa y una estructura de capa simplificada es relativamente fácil de fabricar en nanoescala. Además, diseñar un absorbente de metamaterial con propiedades DNG en tres dimensiones requiere varias características en la estructura como la propagación hacia atrás, el efecto Doppler inverso, la amplificación de la onda evanescente, etc. Aunque los análisis teóricos y las capacidades con respecto al espectro de frecuencia visible ya han sido descritos por los expertos [39 , 40,41]. Por lo tanto, el MA basado en características DNG de nanoestructura de película delgada se refiere a ε negativos y μ y se emplea comúnmente como una matriz metálica delgada periódica. La matriz de parches metálicos finos diluye el plasma de electrones libres descrito por el modelo "Drude", pero como hemos considerado la capa superior como con pérdidas, por lo tanto

$$ \ varepsilon ={\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r \ left (1- \ frac {{\ omega_p} ^ 2} {\ omega ^ 2} \ right) \; \ mathrm {y} \; \ mu ={\ mu} _0 {\ mu} _r \ left (1- \ frac {M_m ^ 2} {\ omega ^ 2 - {\ omega} _m ^ 2 + j \ omega {\ gamma} _m} \ right) $ $ (1)

donde ω _p La frecuencia de plasma reducida depende de la dimensión geométrica de una capa delgada, ω _m es la frecuencia de resonancia magnética, γ _m pérdidas, M _m determina la fuerza de la resonancia magnética.

Resultados, análisis y discusión

Propiedades dieléctricas y de potencia de la celda unitaria

De acuerdo con el método foto-cuántico, se requiere una cierta cantidad de energía en la condición de frontera de la celda unitaria, especialmente en la dirección de propagación, el ángulo de polarización, el flujo de corriente del campo E y del campo H, etc. potencia necesaria para propagarse en una dirección multicristalina [42]. Las ecuaciones (2) y (3) se basan en un teorema del vector de Poynting complejo inspirado en [42, 43]. El hecho es que la energía que recibe la celda unitaria sería la luz solar, que es omnidireccional, y el flujo de energía que usa el absorbedor debe ir en una dirección para mejorar la eficiencia. Por lo tanto, la potencia de la onda que se propaga es simplemente proporcional a la parte real del vector relacionado con el parámetro de promedio de tiempo. La energía estimulada en uno o ambos puertos se propagará a través de la celda unitaria. El resto de la energía saldrá por todos los puertos (potencia de salida). La potencia aceptada en la celda unitaria se convierte en pérdidas como propiedades de materiales dieléctricos, parches o elementos agrupados considerados para nano-brazos SHPA. Considerando la parte real de la potencia media compleja en Z -dirección

$$ {P} _ {c \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ operatorname {Re} \ left \ {\ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} \ overrightarrow {E} \ times \ overrightarrow {H}. \ Mathrm {zdz} \ right \} $$ (2)

Lo cual también es válido para (Z _-ve dirección) para describir el flujo neto de energía en un puerto específico. El factor ½ en la ecuación. (2) está relacionado con promediar el tiempo del campo en el sentido de las agujas del reloj. La parte imaginaria de la potencia se puede ignorar debido a la energía reactiva o almacenada que no se propaga y se puede calcular la potencia transmitida (P _T ) observando la potencia de tiempo promedio a lo largo de X y Y eje respectivamente-

$$ {P} _ {T \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ frac {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _y. \ mathrm {dy}} {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _x. \ mathrm {dx}} $$ (3)

De manera similar, la potencia aceptada y saliente se calculó usando la ecuación en [43] y se trazó en la Fig. 2 donde la potencia asociada (Fig. 2a) y la potencia a través de la celda unitaria (Fig. 2b) nano-metaabsorbente se observaron durante la simulación. La potencia estimulada está limitada a 0,5 vatios en todo el espectro, mientras que la potencia aceptada y saliente en ambos puertos tiene distribución de potencia a la inversa. Sin embargo, el flujo de energía 3D muestra características inusuales debido a la inercia del momento dipolar con el rango de frecuencia de operación y el estado de penetración del material no homogéneo. A partir de 430 THz, la mayor parte del momento dipolar no está organizado ya que la operación de THz en la etapa inicial tiene un efecto de polarización y tiene un efecto dipolar constante después de 715 THz, que continúa hasta 1000 THz. Además, la propiedad semiconductora del material GaAs, así como las características ferromagnéticas del Ni, son responsables de disuadir a

Distribución de energía en el metaabsorbedor SHPA ( a ) Distribución 2D ( b ) Flujo de energía 3D a través de la celda unitaria

flujo de poder, pero afortunadamente no tan dominante. Propiedades dieléctricas ( ε , μ , η ) extraído del parámetro S para la investigación numérica para evaluar las propiedades de los metamateriales. El absorbedor de celda unitaria con tres materiales diferentes tiene características aisladas en la propagación de ondas EM, pero esta dimensión estructural única con capacitancia e inductancia en cascada en los parches superiores modifica las propiedades convencionales de las características dieléctricas de los materiales individuales y representa propiedades únicas. Ahora, extrayendo las propiedades dieléctricas del método DRI [44] utilizado donde el coeficiente de transmisión (S ₂₁ ) y coeficiente de reflexión (S ₁₁ ) fue el parámetro crítico.

La Figura 3 muestra todos los resultados simulados del nano-metaabsorbedor SHPA propuesto. Figura 3a, b magnitud de S ₁₁ y S ₂₁ tiene una magnitud casi constante tanto en la parte real como en la imaginaria. Aunque la respuesta del rango infrarrojo tiene tres pequeños puntos de resonancia consecutivos debido al efecto de la estructura de la profundidad de la piel (δ), afortunadamente, juega un papel positivo en obtener la permitividad, la permeabilidad y el índice de refracción negativos. Las Figuras 3c, d, e muestran respectivamente el valor real e imaginario de estas propiedades y aseguran la existencia del metamaterial en la SHPA propuesta. Además, los campos evanescentes electromagnéticos térmicos intensos [45] deben tenerse en cuenta debido a la perspectiva de aplicación de la captación de energía solar. Se mencionó experimentalmente en [45, 46] que, durante la radiación de campo cercano, la conducción de calor de dos materiales consecutivos aumenta gradualmente. Además, los polaritones de superficie también dominan las ondas evanescentes y, según el "modelo Drude", la permitividad y la permeabilidad complejas determinadas por las polarizaciones de onda dentro de la celda unitaria. La Figura 3 c, d, e presenta propiedades dieléctricas donde la operación de menor longitud de onda de permitividad y permeabilidad se ve afectada por esta onda evanescente. Por lo tanto, las características negativas de la celda unitaria propuesta son significativamente visibles y aseguran una buena absorción de EM. Las características de la línea de transmisión y VSWR (relación de onda estacionaria de voltaje) del nanoabsorbente SHPA en la Fig. 4 muestran claramente la cantidad de reflexión

Características del metamaterial SHPA. un S ₁₁ Respuesta. b S ₂₁ Respuesta. c Permitividad. d Permeabilidad. e Índice de refracción sobre espectro visible e infrarrojo

El gráfico de Smith muestra VSWR de la celda unitaria SHPA sobre el espectro a una impedancia normalizada

y desempeño de la línea de transmisión. VSWR a 430 THz, la impedancia era alta y la mitad de la longitud de onda de la línea no tiene una buena correspondencia entre la fuente y el lado de la carga. Por lo tanto, la cantidad de absorción de la señal EM también es baja a una frecuencia más baja, pero gradualmente, la impedancia trató de coincidir (con una normalizada) tanto como fue posible resultante con una absorción superior al 90% en el espectro infrarrojo (1000 THz). Como la celda unitaria representa un elemento absorbente en lugar de un elemento radiante; por lo tanto, su VSWR en el lado de la carga no tiene un valor más alto.

Análisis de efecto de campo

La naturaleza EM de la luz es una onda electromagnética transversal en las regiones visibles. La luz proveniente del sol se divide en tres espectros:infrarrojo, visible y ultravioleta (UV). La distribución de energía espectral de la luz solar tiene una intensidad máxima de 1,5 eV en un rango visible similar a la mayoría de los materiales semiconductores, mientras que otros dos espectros producen calor si se absorben. Entonces, considerando la propagación EM de luz visible típicamente y las condiciones de contorno establecidas en la Fig. 1b, el rendimiento numérico del campo eléctrico (campo E) y del campo magnético (campo H) se muestra en la Fig. 4. Aunque la frecuencia de resonancia 445 THz características presentes en la cifra, pero todo el ancho de banda 430 ~ 650 THz tiene una distribución similar del campo. Ahora, ecuaciones de ondas vectoriales como se menciona en [47]

$$ {\ Displaystyle \ begin {array} {l} {\ nabla} ^ 2 {E} _m - {\ gamma} ^ 2 {E} _m =0 \\ {} {\ nabla} ^ 2 {H} _m - {\ gamma} ^ 2 {H} _m =0 \ end {matriz}} \ Big \} $$ (4)

donde el operador diferencial vectorial unidimensional varía ligeramente con la variación de fase durante la propagación de la onda EM, los componentes del campo eléctrico y magnético son E _m y H _m respectivamente, la constante de propagación \ (\ gamma =\ sqrt {j \ omega \ mu \ left (\ sigma + j \ omega \ varepsilon \ right)} \) es una cantidad compleja relacionada con la atenuación y la desviación de fase de la onda. Dado que la onda de luz visible tiene propiedades tanto de onda como de partícula, la propagación de onda a través del material de la celda unitaria muestra variaciones en términos de las características del campo E y del campo H. Además, γ tienen una relación no lineal con las propiedades dieléctricas a medida que la frecuencia de funcionamiento aumenta gradualmente. La Figura 5 muestra cada nano división en el componente de campo E significativo de SHPA (2,31 × 10 ⁶ V / m en escala logarítmica) existen a una resonancia de 550 THz. Aunque sobre la región de frecuencia simulada (visible y UV), este fuerte campo E se observó con una ligera variación en amplitud. La barra de conexión horizontal y vertical (con cuatro divisiones) también contribuye al componente de campo con variación de amplitud (2,08 × 10 ⁵ ~ 2,31 × 10 ⁶ Escala logarítmica V / m). Durante un análisis transitorio de la celda unitaria SHPA (cascada de dos etapas) dado el valor de capacitancia e inductancia de 1.37 × 10 ⁻¹⁷ nF y 3,87 × 10 ⁻¹⁴ nH acelera la operación del campo de frecuencia de resonancia. El campo H (Fig. 5b) tiene un efecto similar de la propagación EM a lo largo de la dirección Z, y durante la penetración del medio no homogéneo, la Ec. (5) se convierte en funciones de Z y en el que la permeabilidad magnética es constante. Luego, la ecuación de onda correspondiente se reduce a una "ecuación diferencial de Ricatti" [48]

$$ \ frac {d \ psi (z)} {dz} + {\ psi} ^ 2 (z) =- {k} ^ 2 {m} ^ 2 (z) $$ (5)

Efecto de campo sobre SHPA a una resonancia de 550 THz. un Campo electrónico. b Campo H

donde k es el número de onda y m (z) es un índice de refracción complejo. Además, el retardo de fase de la onda aumenta con la relación de la velocidad de fase en el espacio libre y el medio, que es otra contribución significativa de la celda unitaria propuesta SHPA para una reflectancia más baja y absorbe más energía de la onda.

La polarización de la onda de luz se estudió en la celda unitaria propuesta SHPA para explicar la viabilidad de la celda unitaria para la recolección de energía solar, ya que la onda polarizada a través de la superficie pierde su energía durante la propagación. La formulación hamiltoniana [49] mencionó que los elementos de la matriz de dipolos de transición varían para la polarización de TE y TM en los diferentes ángulos de incidencia de la onda en el material de GaAs. El ángulo de polarización tanto para el modo TE como para el modo TM aumenta el tamaño del paso de 40 ° (Fig. 6), y el ángulo de polarización del campo eléctrico tiene un efecto sorprendentemente dominante en comparación con la orientación del campo magnético. Durante el modo TE, en un rango más bajo, aproximadamente 430-650 THz (690 nm a 460 nm) [50], para una determinada diferencia de combinación de sustrato Ni-GaAs, la diferencia entre las capas de núcleo y de revestimiento produce un índice de refracción variable que aumenta cuando la longitud de onda visible se acerca a la banda prohibida. Por lo tanto, la fluctuación de la cantidad de absorción observada en ese espectro (Fig. 6a), mientras que la polarización TM muestra una fluctuación de tipo similar a pesar de los cambios del ángulo de polarización de 0 ° a 120 °. En el modo TM, el desajuste de fase generalmente se vuelve grande para longitudes de onda más largas. Además, la forma hexagonal tiene un efecto significativo sobre la absorción durante la variación del espacio dividido y la altura del parche. La capacitancia formada por el parche de separación dividida varía mientras que la capacitancia adyacente por la posición del parche es de pie. El cambio de la brecha dividida de la Figura 6c de 5 nm a 25 nm y la reducción de la brecha dividida dan una excelente absorción debido a la capacitancia sustancial. A pesar del cambio de la brecha, la absorción permanece casi por encima del 90% durante 5 nm, y el aumento gradual de la brecha dividida hace que la absorción inicial caiga alrededor de 430-500 THz, pero se observó una absorción general del 95% durante la simulación. En términos de altura SHPA (Fig. 6d), como la división del parche permanece a 10 nm, el área de propagación de la señal EM aumenta colectivamente tanto para la incidencia normal como oblicua y, por lo tanto, la altura de división se optimiza con un valor más alto con absorción. Para altura o grosor SHPA de 60 nm a 90 nm, la absorción promedio es del 85% al ​​88%, lo que indica directamente el optimizado para 90 nm.

Efecto de polarización sobre la absorción. un Polarización TE. b Polarización TM y efecto de estructura SHPA. c Separación dividida frente a absorción. d Altura frente a absorción

Sin embargo, un prototipo fabricado y los resultados de la medición de SHPA respaldarían datos simulados, que se llevarán a cabo en la siguiente fase del estudio. Además, una imagen comparativa descrita en la Tabla 2 para comprender la contribución del nano-metaabsorbedor propuesto. En la Tabla 2, el artículo reportado [51] muestra una buena eficiencia, pero la frecuencia de operación y el desempeño de banda estrecha lo hacen incapaz de cumplir con la operación de frecuencia visible. Otro artículo [52, 53] reivindicado para aplicaciones de recolección de energía solar, pero el ancho de banda y el rango operativo lo hacen más vulnerable en comparación con otros.

Conclusiones

En este trabajo, se propone un absorbente de metamaterial hexagonal dividido utilizando Au seis nano-brazos basados ​​en sustrato de GaAs y Ni para aplicaciones de recolección de energía solar. El análisis foto-cuántico y la distribución del flujo de energía muestran matemáticamente que la celda unitaria propuesta tiene una posibilidad significativa de conversión de fotones para aplicaciones de celdas solares o fotovoltaicas. El desempeño de la celda unitaria propuesta SHPA se analizó con base en las propiedades dieléctricas, desempeño de la línea de transmisión, campo y distribución de potencia, absorción en términos del estudio paramétrico. Todos los datos se extrajeron del parámetro S a través de la simulación CST MWS, que muestra que existen características DNG con absorción EM de banda ultraancha (más del 95%) tanto en el espectro de luz visible como en el ultravioleta. La unidad de parche optimizada Hexa tiene un espacio dividido de 10 nm y una altura de 90 nm para la absorción indicada. La validación experimental del absorbedor propuesto seguirá siendo un candidato deseable en aplicaciones de recolección de energía en el rango de THz.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

CDN:

Nanoantena dipolo clásica

DRI:

Índice de refracción directo

DNG:

Doble negativo

EM:

Electromagnético

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

GA:

Algoritmo genético

PV:

Fotovoltaica

SHPA:

Matriz de parche hexagonal dividida

UV:

Ultravioleta

Oxidación catalítica sin disolventes de alcohol bencílico sobre bimetal de Au-Pd depositado en TiO2:comparación de rutilo, brookita y anatasa Modulación de reflexión óptica eficiente mediante el acoplamiento de la transición entre bandas del grafeno a la resonancia magnética en metamateriales