Absorbedor solar asistido por nanoantenas y semiconductores para captura de luz de banda ultra ancha

Introducción

La energía solar, como energía renovable, limpia y generalizada, está ampliamente estudiada porque puede transformarse en otras energías para amplias aplicaciones como células solares [1,2,3], dispositivos fotovoltaicos [4, 5] y fotovoltaica. emisores térmicos [6, 7]. Dado que Landy et al. reportaron los absorbentes perfectos basados ​​en los metamateriales de triple capa metal-aislante-metal [8], se han diseñado un montón de fascinantes nanoestructuras para la captación y utilización de energía solar [9,10,11,12,13,14 , 15,16,17,18,19,20,21]. Cabe señalar que la captación eficiente de energía solar es clave para estas aplicaciones. Por lo tanto, la respuesta de absorción solar de los absorbedores se suele estudiar para evaluar el rendimiento de la captación de energía solar. El absorbente ideal posee una absorción cercana a la unidad en un amplio rango de longitudes de onda.

En principio, el absorbedor perfecto significa un buen emisor térmico en el mismo rango de longitud de onda. Para una temperatura dada, la energía de la radiación puede describirse y detectarse bien mediante la absorción de la estructura [7]. Además, la relación de absorción a la radiación térmica es siempre igual a la emisividad en las condiciones de equilibrio térmico. Las nanoestructuras metálicas nobles se utilizan generalmente para obtener absorbentes perfectos, transmisión de luz extraordinaria o resonancias Fano mediante un fuerte acoplamiento de la luz con plasmones de superficie [22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Sin embargo, la energía solar absorbida daría lugar a un aumento de la temperatura (es decir, inestabilidad térmica), lo que provocaría el daño de nanoestructuras metálicas nobles con bajo punto de fusión [7]. Tenga en cuenta que la estabilidad estructural y la tolerancia a altas temperaturas pueden garantizarse cuando se utilizan metales refractarios para reemplazar los metales nobles en los absorbentes [6, 9, 11, 12]. Aunque los fenómenos de absorción de luz de banda ancha se demostraron en estas plataformas, estos métodos pueden sufrir problemas tales como geometrías sofisticadas [6, 18], anchos de banda de absorción relativamente finitos (<750 nm) [9, 11, 12] o grandes requisitos de metales nobles [8, 10, 11, 18].

Los materiales semiconductores también han atraído un gran interés debido a su bajo costo y alta eficiencia de conversión para energía solar en comparación con los dispositivos de película delgada convencionales [31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39]. La mayoría de los absorbentes solares se basan en silicio (Si) debido a su abundancia natural y su brecha de banda de energía casi ideal [31, 34]. Sin embargo, la eficiencia de las células solares se limita cuando se reduce el espesor de las capas de Si. Por lo tanto, la captura de luz se ha convertido en uno de los temas principales en las células solares de película delgada [38]. Recientemente, el arseniuro de galio (GaAs) se ha convertido en un buen competidor debido a su propiedad óptica única y alta eficiencia de conversión [36,37,38,39], que se han demostrado experimentalmente en la captación solar. Por ejemplo, Massiot et al. presentó la nanorred metálica para la captación de luz multirresonante de banda ancha en las capas ultrafinas de GaAs con un ancho de banda de absorción de 380 nm (de 450 a 830 nm) [40]. Li y col. propuso una célula solar mediante la combinación de nanopartículas de oro y matrices de nanocables de GaAs para realizar la amplia banda de absorción en la región visible (300-850 nm) [39]. Sin embargo, sus bandas de absorción están casi dentro del rango de 300-1100 nm. Recientemente, al colocar la rejilla de GaAs sobre una estructura de película bicapa de GaAs-tungsteno (W), obtuvimos un absorbente perfecto [40]. Sin embargo, el ancho de banda de absorción (> 90%) solo alcanza los 1300 nm. Además, en esta estructura solo se considera la polarización magnética transversal (TM).

En este trabajo, proponemos un absorbedor solar factible basado en el semiconductor GaAs y metales refractarios W y Ti. Una matriz de período de nanoantenas de GaAs unidimensional (1D), recubierta por nanoantenas antirreflectantes (AR) de óxido de indio y estaño (ITO), se coloca sobre la delgada estructura de película de tres capas de W-GaAs-Ti. Este absorbente solar presenta una banda de absorción ultra ancha que abarca las regiones del infrarrojo medio y visible debido a la sinergia de las resonancias de modo guía (GMR) y los modos de resonancia de la cavidad junto con los polaritones de plasmón de superficie (SPP). El ancho de banda con una absorción superior al 90% es superior a 2400 nm. El absorbedor también muestra una buena tolerancia al ángulo y la polarización de la luz incidente. Además, alta densidad de corriente de cortocircuito de hasta 61,947 mA / cm ² se consigue bajo la iluminación solar AM1.5. Estos ofrecen nuevas perspectivas para lograr células fotovoltaicas ultracompactas y emisores térmicos eficientes.

Materiales y método

El esquema del absorbedor propuesto se muestra en la Fig. 1a. Una matriz de nanoantenas de GaAs 1D está intercalada por una matriz de AR de una sola capa hecha de nanoantenas de ITO y una estructura delgada de película de tres capas de metal-semiconductor-metal (MSM). Aunque los metales nobles son indispensables para crear estructuras de absorción de banda ancha, tienen puntos de fusión bajos [41]. Además, debido al efecto de tamaño pequeño, los puntos de fusión de las nanoestructuras de metales nobles modelados se reducen considerablemente [42]. Estos conducen a nanoestructuras metálicas nobles que no cumplen con la temperatura de trabajo de la energía solar fotovoltaica. Por lo tanto, los materiales con estabilidad térmica ultra alta y capacidad de absorción de luz son muy deseables para mantener la estabilidad de los absorbentes solares. El W metálico, el titanio (Ti) [6, 17] y los semiconductores GaAs [36, 37, 39] tienen puntos de fusión altos (3422 ° C, 1668 ° C y 1238 ° C a temperatura ambiente, respectivamente) y, por lo tanto, se emplean para obtener bandas de absorción ultraanchas en este trabajo. El período y el ancho de las nanoantenas se indican como P y d , respectivamente. El espesor de la película inferior W es de 100 nm. Los espesores de las películas de Ti y GaAs están marcados respectivamente con h ₁ y h ₂ . Los espesores de nanoantenas de ITO y GaAs están marcados con t ₁ y t ₂ , respectivamente. Los parámetros optimizados de este absorbedor se establecen en P =500 nm, d =400 millas náuticas, t ₁ =80 millas náuticas, t ₂ =120 millas náuticas, h ₁ =70 nm y h ₂ =30 millas náuticas.

un Esquema del absorbedor solar propuesto. b Espectros de absorción del absorbedor solar (línea negra), estructura de pila de MSM (línea roja) y estructura de MSM recubierta solo con nanoantenas de GaAs (línea azul)

Los rendimientos ópticos y las distribuciones del campo electromagnético de este absorbedor se calculan mediante el método de diferencia finita en el dominio del tiempo (FDTD) [43]. Los límites periódicos se emplean en el x direcciones y capas de coincidencia perfecta se utilizan en la z direcciones. Las constantes dieléctricas de Ti, W y GaAs se toman de Palik [44], y el índice de ITO es 2.0 [35]. Si no se especifica lo contrario, una onda plana de frecuencia amplia con la polarización lineal a lo largo de la x El eje se irradia desde la parte superior de la metasuperficie de nanoantena (es decir, polarización TM) con una distancia de 540 nm entre ellos. La transmisión ( T ) en este absorbedor es igual a cero debido a la película metálica opaca utilizada en la parte inferior. La absorción ( A ) de este absorbedor se puede calcular con A =1 - R , donde R denota el reflejo. Se elige una región finita con una longitud de 20 nm, un ancho de 500 nm y una altura de 500 nm y una malla refinada de 1,6 nm para calcular la densidad de corriente de cortocircuito (otros parámetros son los mismos que los establecidos en el cálculo de reflexión). Una malla no uniforme con el paso de malla mínimo de 0.25 nm y la onda plana con tres regiones de longitud de onda (280–400 nm, 401–1702 nm y 1705–4400 nm) se utilizan para calcular el espectro solar estándar usando dos simples -Simulación dimensional. El absorbente propuesto se puede fabricar mediante los siguientes pasos:(1) depositar ordenadamente películas de W, GaAs y Ti con cierto espesor sobre el sustrato de sílice mediante el método de deposición [45, 46]; (2) depositar una capa de fotorresistente en la estructura fabricada arriba y grabarla mediante la litografía por haz de electrones [47] para formar una matriz de nanoantenas unidimensionales; (3) depositar consecutivamente materiales GaAs e ITO con cierto espesor sobre la estructura fabricada en el segundo paso; y (4) eliminar las nanoantenas fotorresistentes recubiertas con materiales de GaAs e ITO mediante el método de despegue.

Resultados y discusión

La Figura 1b muestra el espectro de absorción del absorbedor optimizado a incidencia normal (marcado con "Absorber", línea negra). A modo de comparación, los espectros de absorción de la estructura MSM (marcada con "MSM", línea roja) y la estructura MSM recubierta solo por nanoantenas de GaAs (marcada con "La estructura sin la capa ITO", línea azul) también se muestran en la Fig. 1b. Para la estructura con la estructura de película de tres capas de MSM simple, la absorción es inferior al 70%. Cuando la matriz de períodos de nanoantenas de GaAs se coloca en la estructura de MSM, se logra una banda de absorción ultra ancha con absorción reforzada de 657 a 2679 nm. Esto indica que la matriz de nanoantenas de GaAs aquí es responsable de la fuerte absorción en el amplio rango de longitudes de onda. Tenga en cuenta que las intensidades de absorción en los rangos de 991–1455 nm y 2004–2388 nm siguen siendo inferiores al 90%. Para el absorbente propuesto, la matriz de nanoantenas ITO de 80 nm de espesor introducida fortalece aún más la absorción y amplía la banda de absorción. Teniendo en cuenta A> 90%, se encuentra un fenómeno de absorción ultra amplio con un ancho de banda de absorción de hasta 2402 nm que abarca las regiones del infrarrojo visible, cercano y medio (468-2870 nm). La absorción media se incrementa hasta un 95,5%. Esto se debe a que la capa ITO de 80 nm de grosor desempeña un papel antirreflectante, lo que puede fortalecer aún más el efecto antirreflectante de las nanoantenas de GaAs. Además, la capa de ITO de 80 nm de espesor es lo suficientemente alta para permitir una baja resistencia de la hoja, por lo que las pérdidas de transporte lateral de los portadores en cientos de micrones a los contactos metálicos laterales son bajas [35]. Consecuentemente, se logra la gran mejora en el ancho de banda de absorción y la eficiencia de absorción, mayor que aquellos absorbentes basados ​​en los sistemas compuestos de metales nobles-semiconductores [32,33,34,35,36,37]. La absorción muy aumentada se origina principalmente por la excitación de los GMR y los modos de cavidad y sus efectos de acoplamiento hibridado [18].

Las distribuciones del campo electromagnético (| E | y | H |) y la densidad de corriente ( J ) de este absorbente a diferentes longitudes de onda (es decir, 594 nm, 1430 nm y 2586 nm) se investigan. A 594 nm, la energía del campo eléctrico se concentra principalmente en la interfaz nanoantena-aire, y la energía del campo magnético fuerte se encuentra en la capa de nanoantena e ITO de GaAs (Fig. 2a, b). Estos indican los modos de cavidad y GMR que se excitan [18, 26]. La corriente eléctrica en las nanoantenas de GaAs (Fig. 2c) confirma la eficacia de las nanoantenas de GaAs para esta mejora de la absorción [48, 49]. A 1430 nm, el campo eléctrico fuerte existe principalmente en las ranuras de aire cerca de las nanoantenas (Fig. 2d), lo que implica los modos de cavidad excitada [18, 26]. En la figura 2e, la energía del campo magnético se encuentra en las interfaces de la película de nanoantena-Ti de GaAs, lo que indica que los modos de cavidad y los GMR excitados contribuyen a la luz acoplada a la estructura y excitan aún más los SPP cerca de las interfaces de la película de GaAs-Ti. película [9, 18, 20, 39]. La corriente eléctrica distribuida en la película de Ti que se muestra en la Fig. 2f proporciona una fuerte evidencia de que la luz incidente está completamente acoplada a la estructura. A 2586 nm, las energías electromagnéticas se localizan principalmente en las ranuras entre las nanoantenas y en las interfaces de la película de nanoantena-Ti de GaAs y la película de película de GaAs-W (Fig.2g, h), y la corriente eléctrica se distribuye principalmente en la superficie superior de la película W (Fig 2i). Estos nuevamente demuestran la luz acoplada a las capas subyacentes de la estructura por los modos GMR, SPP y cavidad. Por lo tanto, se concluye que los GMR excitados, los SPP y la cavidad y su sinergia dan como resultado la banda ancha y la absorción casi perfecta [18].

Campo eléctrico | E |, campo magnético | H | distribuciones y densidad de corriente J a 594 nm ( a - c ), 1430 nm ( b - f ) y 2586 nm ( g - yo ), respectivamente

En las aplicaciones prácticas de los absorbedores solares, la absorción de la luz debería ser menos sensible a los ángulos de incidencia y de polarización [2, 3, 6, 18, 20]. Sin embargo, la mayoría de los absorbedores basados ​​en el material de GaAs rara vez implican la exploración del ángulo de polarización y el ángulo de incidencia [36, 39]. La Figura 3a muestra la evolución de la absorción para el absorbedor solar propuesto bajo la polarización TM con una irradiación oblicua. Obviamente, el efecto de absorción es casi robusto en el rango de 468–3000 nm con un ángulo de incidencia de hasta 55 ° y solo una ligera disminución de la longitud de onda en la región del infrarrojo medio. La banda de absorción se reducirá extremadamente a medida que el ángulo de incidencia sea superior a 55 °. La Figura 3b muestra la absorción de luz bajo diferentes estados de polarización, donde 0 ° corresponde a la polarización TM y 90 ° corresponde a la polarización eléctrica transversal (TE). Se observa que la absorción se puede mantener perfectamente en la región de longitud de onda más corta y más larga (468-1010 nm y 1800-3000 nm) cuando el ángulo de polarización aumenta de 0 a 90 °. Aunque la absorción disminuye en la región del infrarrojo cercano, todavía está por encima del 50%. En general, la insensibilidad angular y polarizada de la absorción debe atribuirse a la buena adaptación de la impedancia y la pérdida intrínseca [18, 19].

Mapeo de absorción del absorbedor solar bajo un ángulo de incidencia sintonizable ( a ) y estado de polarización ( b )

Además, llevamos a cabo la investigación de la absorción solar colocando el absorbedor optimizado bajo la iluminación de la fuente AM 1.5. El absorbedor solar muestra una absorción casi perfecta en las regiones visible, infrarroja cercana y media, abarcando las principales regiones de distribución de energía de irradiación solar (Fig. 4a). Debido a que ocurren múltiples estados de resonancia simultáneamente, el absorbedor captura una energía solar cercana a la unidad. Estos demuestran la alta eficiencia de absorción de energía solar en una estructura de este tipo. Además, los materiales refractarios usados ​​en este absorbedor contribuyen a mantener la estabilidad térmica de esta estructura cuando la temperatura aumenta en un cierto rango. Por lo tanto, se puede concluir que nuestro absorbedor propuesto tiene una aplicación más amplia en dispositivos fotoeléctricos [50].

un Espectro estándar de radiación solar AM 1.5 y espectro de absorción de energía solar del absorbedor solar bajo AM 1.5. b Energía absorbida y perdida del absorbedor solar en el rango espectral completo de radiación solar

Como se informa en [36], la densidad de corriente de cortocircuito J _sc para la iluminación solar AM1.5 se describe por \ ({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), \) donde e es la carga del electrón, h es la constante de Planck, λ es la longitud de onda de la luz, Φ _AM1.5 (λ) es la radiación solar en AM 1,5, A ( λ ) es la absorción y c es la velocidad de la luz. Aquí, investigamos la densidad de corriente de cortocircuito cambiando el grosor de las nanoantenas de GaAs con otros parámetros invariables. Cuando t ₂ se sintoniza de 30 a 210 nm con un paso de 30 nm, la fotocorriente recogida se deriva como se muestra en la Fig. 5. Una fuerte regularidad con el espesor t ₂ se obtiene porque J _sc se basa principalmente en el número de modos resonantes en el rango de 300 a 3000 nm. El máximo J _sc igual a 61,947 mA / cm ² se obtiene cuando t ₂ =120 nm, que es mucho más grande que el informado por Meng et al. (30,3 mA / cm ² ) [35].

Densidad de corriente de cortocircuito con el grosor de la nanoantena de GaAs bajo la luz polarizada TM

Conclusión

Presentamos un absorbedor solar basado en las nanoantenas de GaAs cubiertas por un ITO de una sola capa sobre una delgada estructura apilada de tres capas de W-GaAs-Ti. Se logra un absorbedor casi perfecto de banda ultra ancha en el rango de longitud de onda de 468-2870 nm con una absorción promedio superior al 95%. La propiedad de absorción de banda ultra ancha se origina en la sinergia de GMR, modos de cavidad y SPP. El absorbedor perfecto solar de banda ultra ancha también tiene una gran tolerancia a la temperatura, insensibilidad al ángulo y polarización de la luz incidente y la mejor densidad de corriente de cortocircuito hasta 61,947 mA / cm ² . Estos ofrecen nuevas perspectivas para lograr células solares de película delgada, recolección de energía solar y emisores térmicos.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo.

Abreviaturas

TM:

Magnético transversal

1D:

Unidimensional

AR:

Antirreflejos

GMR:

Resonancias en modo guía

SPP:

Polaritones de plasmón de superficie

MSM:

Metal-semiconductor-metal

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

TE:

Eléctrica transversal

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