Estudio numérico de un absorbedor solar eficiente que consta de nanopartículas metálicas

Resumen

Proponemos e investigamos teóricamente un absorbente de luz solar eficiente basado en una estructura multicapa que consta de capas de nanopartículas de tungsteno y SiO ₂ capas. Según nuestro cálculo, se alcanza una absorbancia media superior al 94% en el rango de longitud de onda entre 400 y 2500 nm para el absorbente propuesto. El excelente rendimiento del absorbente se puede atribuir a la resonancia de plasmón de superficie localizada así como a la resonancia de Fabry-Perot entre las capas de metal-dieléctrico-metal. Comparamos la eficiencia de absorción del absorbedor de nanoesferas de tungsteno con los absorbentes que consisten en las otras nanopartículas metálicas y concluimos que el hierro puede ser un material alternativo para el tungsteno en los sistemas de energía solar por su excelente rendimiento de absorción y las propiedades ópticas similares al tungsteno. Además, un absorbente plano multicapa está diseñado para la comparación y también se ha demostrado que tiene un buen rendimiento de absorción de la luz solar.

Antecedentes

Los sistemas de energía solar han atraído cada vez más la atención en las últimas décadas debido al consumo excesivo de fuentes de energía tradicionales y la situación ambiental gravemente deteriorada. En los sistemas de energía solar, la energía solar se puede convertir en electricidad o energía térmica para diferentes usos con una mínima contaminación del medio ambiente. Sin embargo, los sistemas actuales de energía solar, como los sistemas termofotovoltaicos (TPV), los sistemas de generación de vapor solar, los sistemas solares de calentamiento de agua, son ineficientes en la conversión de energía, y en los sistemas TPV se ha predicho teóricamente una eficiencia cercana al 20% en condiciones ópticas adecuadas [1]. , que todavía está lejos de ser ampliamente producido. Muchos absorbedores solares de alta eficiencia se desarrollan para mejorar la eficiencia de conversión de energía en tipos de sistemas de energía solar. Los plasmones de superficie, polaritones (SPP), plasmones de superficie localizados (LSP) y resonancias magnéticas se utilizan a menudo para lograr una absorción casi perfecta en esos absorbentes. Como la luz solar tiene un amplio rango de espectro (de 200 a 3000 nm), requiere un espectro de absorción lo suficientemente amplio para que los absorbentes conviertan la luz de manera efectiva. Sin embargo, el modo de resonancia simple excitado en muchos absorbedores generalmente no puede resultar en una absorción de luz de banda ancha. La solución común para resolver este problema es diseñar absorbedores con múltiples modos de resonancia. Por ejemplo, los sistemas multicapa, como las estructuras planas de metal-dieléctrico-metal (MDM) [2, 3], las estructuras piramidales multicapa de MDM [4, 5] o las MDM con tipos de estructuras de rejilla [6], a menudo pueden tener como resultado una absorción de banda ancha. a partir de resonancias múltiples excitadas entre capas de metal-dieléctrico siempre que el número de capas sea suficiente. Otras estructuras, como matrices de estructuras absorbentes menores [7, 8], o estructuras con gradientes que cambian de tamaño [8], pueden soportar diferentes modos de resonancia y también dar como resultado una absorción de banda ancha. La mayoría de estos diseños requieren procesos de fabricación bastante difíciles, y la eficiencia de absorción es muy crítica para la estructura fabricada y el entorno circundante, que habita fuertemente en sus aplicaciones.

Además, los materiales de los absorbentes deben ser lo suficientemente baratos, lo que puede brindar la posibilidad de una amplia producción. Sin embargo, muchos absorbentes informados utilizan metales nobles en su estructura. Con frecuencia se puede lograr una absorción casi perfecta en estos absorbentes dentro del rango de la luz visible, pero su capacidad de absorción fuera de esta región es terrible [9,10,11,12,13]. Como hay más del 40% de energía de la luz solar fuera del espectro de luz visible, estos absorbentes generalmente pueden ser ineficaces en los sistemas de energía solar. Además, los puntos de fusión de metales nobles como el oro y la plata son de alrededor de 1000 ° C, y pueden fundirse fácilmente cuando se aplican en un sistema de energía solar de alta temperatura, lo que influye seriamente en la estabilidad y eficiencia de un sistema de energía solar. Por lo tanto, el material metálico común utilizado en el sistema de energía solar es el tungsteno. En comparación con otros metales, los absorbentes de tungsteno a menudo tienen un punto de fusión relativamente alto, tienen propiedades químicas estables y muestran un excelente rendimiento en la absorción de luz solar de banda ancha [14]. Estas ventajas hacen que el tungsteno sea un papel indispensable en el sistema de energía solar.

En este trabajo proponemos un absorbedor de luz solar de banda ancha basado en el diseño de multicapas nanopartículas-dieléctricas y la aplicación de tungsteno y hierro en la estructura. El documento se organiza de la siguiente manera. Primero, presentaremos el absorbedor 3-D y mostraremos los resultados de la simulación. Luego, ilustraremos el mecanismo de absorción del absorbedor y compararemos esta estructura con la estructura MDM plana para obtener una visión más profunda. Además, habrá una discusión entre el absorbente de nanopartículas de hierro y el absorbente de nanopartículas de tungsteno sobre su desempeño cuando se aplican en esta estructura.

Métodos

La estructura básica del absorbente de nanopartículas de metal (NPA) se muestra en la Fig. 1a. El absorbedor está compuesto por múltiples capas de nanopartículas de metal dieléctricas (MD). La capa de nanopartículas de metal consta de nanopartículas de matriz cuadrada dispuestas de cerca en una red cúbica incrustadas en SiO ₂ capa. El diámetro de las nanopartículas es de 20 nm y no hay espacio entre las nanopartículas vecinas. La capa dieléctrica en la parte superior de la estructura se utiliza para proteger las partículas metálicas de la oxidación. En la figura 1b se representa una celda unitaria de NPA de una sola capa. La capa dieléctrica superior es para proteger el metal de la oxidación y tiene el mismo espesor que la capa dieléctrica inferior. Por lo tanto, la partícula de metal está incrustada en el medio de toda la capa dieléctrica. El tungsteno es elegido para ser la parte metálica de la estructura debido a su excelente desempeño en el sistema TPV [14], y elegimos la sílice como parte dieléctrica del absorbente por su índice de refracción relativamente bajo. El desarrollo de técnicas modernas de nanofabricación, como la litografía por haz de electrones [15], el fresado por haz de iones enfocado [16], el método de pulverización catódica con magnetrón [17] o el autoensamblaje de coloides [18], permite producir estructuras de capas de nanopartículas propuestas en este documento [19, 18, 20,21,22].

un Estructura básica de nanopartículas metálicas-absorbente dieléctrico (NPA). Todas las capas dieléctricas tienen un espesor de hh (100 nm). El diámetro dd de las nanopartículas metálicas es de 20 nm. b Una celda unitaria de la estructura NPA de una sola capa MD. Período P =Dd =20 nm

En cuanto a la simulación, utilizamos el método 3D en el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD). El software correspondiente es Lumerical FDTD. Los índices de refracción del dieléctrico (SiO ₂ ) y el metal (tungsteno) se han adoptado de los datos del experimento [23, 24]. Como las capas de nanopartículas metálicas consisten en infinitas nanopartículas continuas, elegimos una celda de nanopartículas metálicas como modelo de simulación. Trazamos una celda unitaria de la estructura NPA periódica de una sola capa en la Fig. 1b. Una luz TM incidente normalmente incide a lo largo del y negativo dirección con la polarización a lo largo de la x dirección. Por lo tanto, el período de simulación P es el mismo que el diámetro de la nanopartícula de metal (20 nm). El tamaño mínimo de malla se establece en 0,1 nm. La condición de límite periódica se adopta para una sola celda unitaria en la Fig. 1b. Se adoptan capas de combinación perfecta (PML) en la parte inferior y superior de la estructura. La absorbancia se calcula como A =1 - R - T , donde R es el reflejo y T es la transmisión. El grosor del sustrato metálico se establece en 300 nm, que es mucho mayor que la profundidad de la piel típica para evitar la transmisión de luz. Por lo tanto, casi no hay transmitancia en el rango de frecuencia general, y la absorbancia del absorbente se puede calcular como A =1 - R .

Resultados y discusión

Para NPA de una capa, el rendimiento de absorción se muestra en la Fig. 2 variando con el espesor de la capa dieléctrica hh. En la Fig. 2, se observan dos regímenes distinguidos, a saber, el régimen de capa dieléctrica delgada (hh <100 nm) y el régimen de capa dieléctrica gruesa (hh> 100 nm). En el régimen de capa dieléctrica delgada, la banda bien absorbente se ensancha con el aumento del espesor hh. Sin embargo, en el régimen de capa dieléctrica gruesa, aparece una inmersión absorbente en un rango de longitud de onda más corta y el área de buena absorción se contrae a medida que la capa dieléctrica se vuelve más gruesa. Elegimos hh =100 nm en nuestro siguiente estudio debido a un rendimiento de absorción relativamente bueno en la banda operativa y también debido a que no aparece una caída de absorción obvia en la región visible.

un , b Rendimiento de absorción para NPA de una capa que varía con el espesor dieléctrico hh

Cuando solo hay una capa de MD en la estructura, se logra una absorbancia superior al 80% para el rango de longitud de onda de 400 a más de 1600 nm, que ya excede muchos absorbentes solares informados. Con más capas de MD aplicadas, el rendimiento de absorción del absorbente se puede mejorar aún más. Trazamos el rendimiento de absorción de NPA con diferentes números de capas de MD en la Fig. 3. Con más pares de MD aplicados a la estructura de NPA, la absorción en longitudes de onda operativas más largas aumenta enormemente. Con cuatro capas de MD aplicadas, la absorbancia del absorbente correspondiente casi puede exceder el 80% para el rango de longitud de onda de 400 a 2500 nm en el que se incluye la mayor parte del espectro de luz solar. Con ocho capas de MD aplicadas al NPA, se obtiene una absorbancia superior al 90% en la mayor parte del rango de longitud de onda de 400 a 2500 nm. Con 12 pares de MD aplicados al NPA, la absorción supera el 90% en toda la longitud de onda operativa.

un , b Absorbancia de la estructura NPA con múltiples capas aplicadas. N -layer NPA significa que NPA con N Pares MD

Para ilustrar más la relación entre el rendimiento de absorción del absorbente de NPA y el número de pares de MD en la estructura de NPA, calculamos la absorbancia promedio de los absorbentes de NPA que varían con diferentes números de pares de MD. La absorción promedio se puede calcular como

$$ \ overline {A} ={\ int} _ {\ lambda_2} ^ {\ lambda_1} A \ left (\ lambda \ right) d \ lambda / \ left ({\ lambda} _1 - {\ lambda} _2 \ derecha) $$

donde λ ₁ y λ ₂ es 2500 y 400 nm, respectivamente, en nuestro caso. La relación entre el número de capas de MD y la absorción promedio se muestra en la Fig. 4. Con el incremento de pares de MD, la absorción promedio aumenta del 68,5% (capa de MD única) al 95,4% (12 capas de MD). Cuando el número de pares MD es más de 8, el crecimiento de la absorción promedio parece alcanzar su límite instintivo y será relativamente lento. Según el cálculo, la absorbancia promedio de NPA con más de cinco capas de MD alcanza hasta el 90% en el rango de longitud de onda de 400 a 2500 nm. Este absorbente excede a muchos de los absorbentes reportados anteriormente tanto en eficiencia de absorción como en ancho de banda de absorción perfecto.

Absorbancia promedio en función del número de capas de MD

Como mencionamos antes, la estructura NPA puede lograr una alta absorción incluso con un solo par de MD. Para comprender los mecanismos físicos responsables de la alta absorción de la estructura NPA de una sola capa, trazamos su distribución espacial del campo eléctrico en la Fig. 5. La Figura 5a es la distribución de la magnitud del campo eléctrico de la estructura NPA de una sola capa en el plano y =0. Con luz incidente polarizada a lo largo de x dirección, el campo eléctrico se mejora y confina alrededor de las nanopartículas. Tal perfil de campo sugiere que la absorción se puede atribuir a la resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR) [25]. Para mostrar mejor eso, trazamos la distribución transversal de la magnitud del campo eléctrico de la partícula en el z =Plano de 115 nm (marcado en la Fig. 1b) en la Fig. 5e. Claramente, la mejora del campo eléctrico aparece en ambos lados de las partículas metálicas a lo largo de la dirección de polarización de la luz incidente. Debido a que las nanopartículas están dispuestas de manera cercana, el LSPR alrededor de las partículas que se acoplan con el LSPR vecino da como resultado una alta absorción de la estructura NPA. El acoplamiento del LSPR vecino consume luz y da como resultado una alta absorción de la estructura NPA.

Distribución de la magnitud del campo eléctrico (log ₁₀ | E / E ₀ |) de NPA de capa MD única:distribución de la magnitud del campo eléctrico en y =0 plano en la longitud de onda a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm y d 1580 nm; e distribución de la magnitud del campo eléctrico (| E / E ₀ |) en z =Plano de 115 nm a una longitud de onda de 905 nm

En comparación con el NPA de un solo par MD, el rendimiento de absorción mejora considerablemente en el rango de longitud de onda más largo para la estructura NPA con múltiples pares MD. Para ilustrar este fenómeno, trazamos la distribución eléctrica espacial de la estructura NPA de ocho pares MD en la Fig. 6. Para luz de diferentes longitudes de onda, las distribuciones de magnitud de campo son diferentes. Para la luz de longitud de onda más corta (Fig. 6a, b), es absorbida principalmente por las capas superiores de MD. La magnitud del campo eléctrico y el confinamiento del campo alrededor de la nanopartícula en las capas inferiores de la estructura es débil. Mientras que para longitudes de onda más largas (Fig. 6c, d), el confinamiento del campo eléctrico existe obviamente en todas las capas de MD y LSPR que aparecen fuertemente no solo alrededor de las capas de partículas superiores, sino también de las capas de partículas inferiores. Esto significa que para la estructura NPA de múltiples pares MD, las capas MD inferiores no participan bien en la absorción de la luz incidente de longitud de onda más corta. En cambio, la luz incidente de longitud de onda más larga puede absorberse bien y transformarse en LSPR en las capas inferiores de MD. Por tanto, la adición de pares MD a la estructura NPA mejorará en gran medida el rendimiento de absorción de la estructura NPA para luz de longitud de onda más larga, que se correspondía bien con la curva de absorción de la Fig. 3a. Además, esto explica la razón por la cual las curvas de absorción para diferentes pares de MD en la estructura NPA en la Fig. 3b aumentan aparentemente en el rango de longitud de onda más largo pero se fusionan en una longitud de onda más corta con el incremento de pares de MD.

Distribución de magnitud eléctrica (log ₁₀ | E / E ₀ |) de la estructura NPA de ocho pares MD en el y =0 avión en a 441 millas náuticas, b 638 nm, c 1580 nm y d 2500 nm. p1 – p8 representan las ocho partículas en la celda unitaria de la estructura NPA de ocho pares MD

Para obtener una visión más profunda de la estructura del NPA, calculamos el rendimiento de absorción de un absorbente similar:FMA (absorbente MDM plano, representado en la Fig. 7). Los espectros de absorción a diferentes espesores de capa de metal hd se han representado en la Fig. 8. El espesor de capa de SiO ₂ se establece en 100 nm, que es lo mismo que la estructura NPA. Con capas de metal más gruesas, la absorbancia de la estructura FMA disminuye. La absorbancia superior al 90% se alcanza para el rango de longitud de onda de 400 a 1500 nm cuando hd =10 nm. Sin embargo, cuando el espesor de la capa de metal hd se establece en 20 nm, que es el mismo que el espesor de la capa de metal de la estructura de NPA, la eficiencia de absorción de FMA cae obviamente. Esto se puede entender fácilmente, porque cuando las capas de metal se vuelven más gruesas, la reflectancia de la estructura es más obvia y la absorbancia se reduce como resultado. La absorción selectiva de FMA es mejor que NPA. Cuando la longitud de onda es superior a 2500 nm, la absorción es inferior al 20%. Aunque hay muchos absorbentes de MDM propuestos para absorber la luz solar [26, 27,28,29,30,31,32], el rendimiento de absorción de nuestro FMA supera a muchos otros absorbedores de MDM. La eficiencia de absorción de FMA es alta y el ancho de banda de absorción es bastante amplio. Otra ventaja de MDM es la selectividad absorbente de FMA. Cuando la longitud de onda es superior a 2500 nm, la absorción es inferior al 20%, lo que permite su aplicación en los sistemas de energía solar selectiva, como los sistemas TPV. Además, el espesor de las capas metálicas en FMA es de 10 nm, que es más grueso que el absorbente MDM en las refs. [31, 32] y hace que sea más fácil de fabricar. Todas estas ventajas se deben a la aplicación de tungsteno en la estructura FMA en lugar de los metales nobles que se utilizan comúnmente en los absorbentes MDM.

Diagrama del absorbedor multicapa dieléctrico de metal plano (FMA)

Espectros de absorción del FMA de ocho pares MD que varían con el espesor del metal hd. El espesor de la capa dieléctrica hh se establece en 100 nm

Para los absorbentes de MDM, sus capacidades de absorción de luz se basan a menudo en la resonancia de Fabry-Perot [2, 6, 33]. Al agregar más pares de MD a la estructura, aparece un pico de absorción adicional en el espectro de absorción para FMA debido a la resonancia de Fabry-Perot. Para mostrar mejor esto, trazamos FMA de tres capas como ejemplo. La Figura 9 traza el rendimiento de absorción de FMA de tres capas que varía con el espesor dieléctrico hh. Tanto para la Fig. 9a como para la Fig. 9b, aparecen tres picos de absorción en el espectro, que resultan de la resonancia de Fabry-Perot [2, 6]. La longitud de onda de resonancia de la resonancia de Fabry-Perot aumenta con el grosor de la cavidad [2, 6]. Aquí, la banda de absorción se amplía a un rango de longitud de onda más largo con el incremento del espesor de la capa dieléctrica hh, y la banda de absorción tiene un corrimiento al rojo en la Fig. 9.

Espectros de absorción del FMA de tres capas como a hd =20 nm y b hd =10 nm variando con el espesor dieléctrico hh. Los círculos negros marcan picos de resonancia

Esto también le sucede a la estructura de NPA. Para absorber el espectro en la Fig. 2a, el pico de absorción que aparece alrededor de 1000 nm debe ser el resultado de la resonancia de Febry-Perot. Cuando hay tres pares de MD en NPA, también habrá tres picos absorbentes en el espectro de absorción (se muestra en la Fig. 10) como el espectro de absorción de FMA de tres capas en la Fig. 9. Sin embargo, cuando se aplican ocho pares de MD a NPA, los picos absorbentes se fusionan; solo hay varios picos de absorción que se pueden observar en longitudes de onda más largas. Al aumentar el espesor de la capa dieléctrica en la Fig. 10, el espectro de absorción se desplaza al rojo. Debido a las similitudes del espectro de absorción del FMA de tres capas y el NPA, podemos inferir que el excelente rendimiento de absorción del NPA también debería resultar de la resonancia de Fabry-Perot. Por lo tanto, hay resonancia LSPR y Fabry-Perot en NPA. El excelente rendimiento de absorción debería ser el resultado de la existencia de resonancia LSPR y Fabry-Perot.

Los espectros de absorción varían con el espesor de la capa de sílice hh en a la estructura NPA de tres capas y b la estructura NPA de ocho capas

El metal que elegimos para este absorbente es el tungsteno. En nuestro trabajo anterior [34], hemos demostrado que el hierro puede ser un excelente candidato para ser aplicado en los absorbentes de luz solar. Como se muestra en la Fig. 11, comparamos el rendimiento absorbente de la estructura de nanopartículas de tungsteno con el rendimiento de los absorbentes que consisten en otras nanopartículas metálicas bajo la misma estructura. Se logra una eficiencia de absorción superior al 92% para el rango de longitud de onda de 400 a 2500 nm para el absorbente de hierro. El ancho de banda de buena absorción del absorbente de hierro (alrededor de 2,1 μm) excede el ancho de banda del absorbente de tungsteno (alrededor de 1,8 μm). La eficiencia de absorción del absorbente de oro y del absorbente de plata simplemente alcanza el 90% dentro de rangos de longitud de onda estrechos. Su rendimiento absorbente es mucho peor que el de los absorbentes de tungsteno y hierro bajo esta estructura. Este resultado se corresponde bien con nuestro trabajo anterior [34], que también muestra que el absorbente de hierro a menudo tiene un mejor rendimiento absorbente sobre los metales nobles debido a la buena combinación entre la inpendencia del absorbente de hierro y la inpendencia del espacio libre. Los metales nobles son bien conocidos por su excelente capacidad de absorción de la luz visible en el campo de la absorción de la luz solar. Sin embargo, generalmente no se usan en el sistema TPV como absorbentes o emisores, porque no pueden absorber bien la luz fuera del rango de luz visible. Además, sus puntos de fusión son relativamente bajos (alrededor de 1000 ° C), lo que dificulta seriamente sus aplicaciones en sistemas de energía solar.

Absorbancia de las estructuras de NPA de ocho capas con diferentes metales aplicados

Al igual que la estructura de tungsteno NPA, el espectro de absorción de la estructura de hierro NPA también tiene un corrimiento al rojo con el aumento del espesor de la capa de sílice hh (representado en la Fig. 12). La eficiencia de absorción está casi por encima del 90% para toda la banda de ondas operativa, aparte de una caída de absorción de un rango de longitud de onda de 100 nm que aparece cuando el espesor de capa hh es superior a 100 nm. En comparación con la Fig. 7, el rendimiento de absorción global de la estructura de hierro NPA supera al de la estructura de tungsteno NPA. La absorción media de las nanopartículas de hierro (94,88%) y las nanopartículas de tungsteno (94,09%) superan a las de las nanopartículas de oro (64%) y plata (28,4%). El excelente rendimiento de absorción hace que el hierro sea un material alternativo prometedor para el tungsteno en el sistema de energía solar. Además, el hierro es más rentable que el tungsteno. Su punto de fusión ronda los 1500 ° C y es superior al del metal noble. Para el tungsteno, la estabilidad química es una de las propiedades cruciales en los sistemas solares. La aleación de hierro y tungsteno puede tener las ventajas de los dos metales. Además, comparamos sus índices reflectantes en la Fig. 13. Los datos del oro y la plata se tomaron de la referencia [35]. Muestra que las propiedades ópticas del tungsteno y el hierro son muy similares, especialmente para la parte imaginaria de sus índices reflectantes, lo que da como resultado un rendimiento de absorción similar en la estructura NPA.

Espectros de absorción que varían con el espesor de capa hh en la estructura de ocho capas de Fe-NPA

Comparación de a parte real del índice de refracción y b la parte imaginaria del índice de refracción de metales de uso común

Para la estructura de NPA, la fabricación de tales partículas pequeñas uniformes puede resultar difícil. Por lo tanto, se requiere robustez del pozo para la estructura propuesta. Calculamos el rendimiento de absorción de estructuras que constan de diferentes formas y tamaños en la Fig. 14a, b. Para diferentes tamaños de nanopartículas, la absorción de la estructura permanece por encima del 90% en casi la longitud de onda operativa. Cuando cambiamos las nanopartículas esféricas en nanopartículas elipsoides en la estructura de NPA, la absorción disminuye (como se muestra en la Fig. 4b). Para las condiciones E1 y E2 en las que el campo eléctrico se encuentra a lo largo del eje principal de las partículas del elipsoide, la absorción cae principalmente en el rango de longitud de onda superior a 1700 nm y la absorción en la longitud de onda más corta donde se distribuye la mayor parte de la energía solar casi permanece igual. . Las absorciones medias en estos dos casos superan el 90%. Cuando el campo eléctrico está a lo largo del eje menor de las partículas del elipsoide, la absorción cambia drásticamente. Por lo tanto, la dirección del eje principal de la nanopartícula en forma de elipsoide debe mantenerse de acuerdo con la dirección del campo eléctrico durante la fabricación.

un Espectro de absorción de la estructura de NPA que varía con el tamaño de las nanopartículas. b Espectro absorbente de la estructura NPA para nanopartículas de diferentes formas. S esfera, E elipsoide, a el semidiámetro del eje mayor del elipsoide, b es el semidiámetro del eje menor del elipsoide. Para E1 y E2, el campo eléctrico está a lo largo de la dirección del eje mayor. Para E3, el campo eléctrico está a lo largo de la dirección del eje menor

Además, la constante de amortiguación de las nanopartículas de tungsteno es a menudo mayor que la del tungsteno a granel debido a la dispersión de la superficie y los efectos de los límites del grano. Según los datos de la referencia [36], recalculamos la absorción de la estructura utilizando la constante de amortiguación aumentada del tungsteno. El resultado se representa en la Fig. 15. Cuando aumenta la constante de amortiguación del tungsteno, la absorción en la longitud de onda más corta (de 400 a 1700 nm) permanece casi sin cambios, mientras que la absorción en la longitud de onda más larga (de 1700 a 2500 nm) aumenta. Esto puede atribuirse a que cuando aumenta la constante de amortiguación del tungsteno en la región infrarroja, la parte imaginaria de su permitividad en la región infrarroja aumentará [36] y dará como resultado el incremento de la absorción. El cambio de la permitividad del tungsteno es más obvio en longitudes de onda más largas que en longitudes de onda más cortas. Por lo tanto, la absorción calculada con la constante de amortiguación aumentada en la longitud de onda más larga cambia un poco mientras que en la longitud de onda más corta casi permanece sin cambios.

Absorción usando diferentes constantes de amortiguación de tungsteno

Hasta ahora, hemos discutido la estructura de NPA y la estructura de FMA y sus rendimientos de absorción y mecanismo de absorción y los metales que se pueden aplicar en ellos para alcanzar una alta absorción. Sin embargo, las aplicaciones de estos absorbentes pueden ser diferentes. En el sistema TPV, las características de absorción bien selectivas a menudo se requieren para reducir la emisión térmica del absorbedor solar. Por lo tanto, las estructuras NPA multicapa cuyos rendimientos de absorción se representan en la Fig. 3b no son adecuadas para su uso en el sistema TPV debido a la alta emisión térmica por encima de 2500 nm. Sin embargo, la estructura NPA con algunas capas MD (espectro de absorción representado en la Fig. 3a) y la estructura FMA (espectro de absorción representado en la Fig. 9) se puede utilizar en el sistema TPV debido a la baja emisión térmica sobre 2500 nm. Para estructuras NPA multicapa, podrían ser útiles en otros sistemas de energía solar en los que no se requieren prestaciones de absorción selectiva de pozos, como la generación de vapor solar [37], los sistemas de tratamiento de aguas residuales y los sistemas de calentamiento de agua.

Conclusiones

En resumen, hemos propuesto un absorbente de banda ancha altamente eficiente que consta de capas de nanopartículas de tungsteno y SiO ₂ capas en la parte superior de un sustrato metálico. Con ocho capas de MD aplicadas, el absorbente puede tener una absorbancia superior al 90% para la mayor parte del rango de longitud de onda de 400 a 2500 nm. La eficiencia de absorción de este absorbedor excede la eficiencia de absorción de muchos otros absorbedores de luz solar, que brindan muchas posibilidades de que el absorbedor se aplique en sistemas de energía solar como la generación de vapor solar, el calentamiento solar de agua y los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Además, comparamos el absorbedor de NPA con FMA y descubrimos que el excelente rendimiento de absorción del absorbedor de NPA resulta de la resonancia LSPR y Fabry-Peort. Además, comparamos el rendimiento de absorción de varios absorbentes de nanopartículas de metales comunes bajo los mismos parámetros de estructura. Los resultados muestran que el hierro puede ser un material candidato prometedor para el tungsteno en el absorbedor solar. Todos estos resultados de simulación ayudan al diseño de nuevas células absorbentes de luz solar en sistemas de energía solar, y los absorbentes que propusimos prometen ser aplicados en las aplicaciones reales.

Abreviaturas

FDTD:: Dominio del tiempo de diferencia finita
FMA:: Flat metal-dielectric multilayer absorber
LSP:: Localized surface plasmon
NPA:: Nanoparticle absorber
TPV:: Thermo-photovoltaic

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