Nano‑metaabsorbedor ultrabanda ancha usando array parches hexagonales divididos para captura solar visible y UV superior

Introducción

La ingeniería materiales ha contribuido historia desarrollo humano desde tiempos antiguos, y 'metamaterial' será uno de los avances cruciales pronto. 'Meta', denotando cambio género material, muestra características dieléctricas únicas como permitividad y permeabilidad negativas, fácil fabricar [1]. Diferentes potenciales aplicación [2, 3] en metamaterial hacen varios investigadores globo más curiosos hacer innovación benchmark sus respectivos campos investigación. Conversión energía fotónica rango frecuencia visible e incorporarla cosecha energía, específicamente investigación energía basada célula solar, es uno áreas prometedoras metaabsorbedor [4,5,6]. Espectro visible o rango UV ondas luz nos rodean siempre sin severos problemas y cantidad abundante energía. Entre todas técnicas establecidas utilización, tecnologías fotovoltaicas (FV) ampliamente aplicadas aplicación campo, y últimos años método estado‑del‑arte propuesto mejorar rendimiento equilibrar futuros desafíos energía verde. Por instancia, celdas mono, multi‑cristalinas, policristalinas para mejora eficiencia, desarrollo FV usando perovskitas haluro metálico, orgánicas y punto cuántico FV para mejora eficiencia conversión potencia, calidad optoelectrónica materiales FV relevantes afectan potencia salida [7] etc. Además, métodos fabricación material como deposición secuencial capa perovskita FV alta calidad [8], perovskitas FV recubiertas e impresas [9], reciclaje fotones [10] o algoritmo basado analogía centroide punto máxima potencia [11], etc. enfocados mejorar eficiencia célula solar.

Además, campo potencial cosecha energía solar usando combinación antena y rectificador (diodo) conocido 'rectena' también explorado mejorar eficiencia célula FV típica. Rectenas estudiadas principalmente transmisión potencia microondas ya que altamente eficiente convertir energía microondas electricidad. Por ejemplo, prototipo patentado [12] usando nanotecnología enfocado convertir luz electricidad eficiencia mejorada y actualmente compatible célula solar tradicional. Procedimiento experimental muestra rectena colocada debajo módulo FV dio salida 380–480 W/m² con módulo combinado aumentado 10–20 % a 38–40 %. Debido restricciones nanofabricación, mayoría prototipos operan rango infrarrojo lejano en lugar espectro visible. Puede esperarse desarrollo nanotecnología acelere este enfoque. Así, artículos recientes adoptaron estrategia diversa cosecha energía solar, como hibridación energía RF‑solar antena transparente multipuerto [13] logró 72,4 % eficiencia con 53,2 % conversión RF‑a‑DC. Dipolo nanoantena evolutivo (EDN) [14] fabricado litografía haz electrones dedicado optimización eficiencia cosecha donde eficiencia aumentó 30 % a 40 % comparado dipolo nanoantena clásico (CDN). Metal‑aislante‑metal (MIM) integrado túnel SiO₂ [15] muestra eficiencia conversión >90 %, Zhang y Yi [16] propusieron enfoque similar nano‑rectena forma lazo corbata claimed eficiencia conversión 73,38 %. Asimismo, rectena inspirada metamaterial con diodo Schottky embebido resonador 'Fabry‑Perot (FP)' [17] demostró alto factor Q y 16 veces mejora rendimiento, rectena óptica inspirada metamaterial desarrollada modelo semi‑clásico afirma alta eficiencia, bajo costo célula solar [18]. No solo eso, varias variaciones características metamaterial exploradas como metamaterial conmutable bifuncionalidad absorción [19], metasuperficie dióxido vanadio delgado, metasuperficie inspirada germanio sensado sintonizable [20]. Aparte idea convencional cosecha energía, mayoría metaabsorbedor o antena desarrollados cosecha energía RF en lugar espectro visible. Cosecha energía estos artículos [21, 22] incapaces contribuir célula solar.

Investigación reciente rango THz rectena o metaabsorbedor inspirado nano‑rectena aún bajo experimento laboratorio o análisis debido varias restricciones como acoplamiento impedancia, integración entre celda unidad y célula FV, alimentación energía convertida celda unidad a unidad FV, eficiencia conversión fotón, pérdidas transporte, etc. Además, células FV propensas degradar rendimiento parámetros ambientales y banda absorción estrecha espectro visible. No obstante, nanoantena o absorbedor nanoescala explorado adoptando técnicas avanzadas diseño y fabricación como absorbedor plasmónico omnidireccional [23] eficiencia cosecha ~38 %, colector electromagnético nanoantena (NEC) sustrato flexible [24] muestra 90 % absorción superando comportamiento óptico materiales y restricciones fabricación. Propiedades ópticas y eléctricas únicas estructura nanoescala [25,26,27,28,29] revelan variedad porcentajes absorción con características materiales dinámicas. Aunque la mayoría estructuras sofisticadas reportadas aún desafiantes aplicar cosecha energía solar algunos metaabsorbedor usados aplicación intención base experimental [30, 31]. Con antena convirtiendo onda EM incidente señal AC, diodo puede rectificar voltaje DC usable. Más 90 % eficiencia conversión obtenible radiofrecuencias. Sin embargo, tremendamente difícil extender rectena régimen óptico debido proceso complicado y respuesta demasiado lenta diodo‑basado rectificación. Trabajo rara vez notado conversión fotoeléctrica directa sin diodo, conocido efecto Hall dinámico (DHE), reportado H. Barlow 1954. Propuso producir voltaje DC vía acción conjunta campos eléctrico y magnético dinámicos radiación incidencia oblicua. Este efecto teóricamente exhibido todos materiales conductores y aplicable todo espectro EM microondas frecuencias visibles con respuesta rápida [32]. Así, campo potencial sistema cosecha energía solar mejora eficiencia usando metamaterial aún por explorar, analizar, y redeploy todas técnicas disponibles expedite eficiencia típica célula solar nivel aplicación.

En este artículo, presentamos metaabsorbedor SHPA metamaterial sobre material tri‑nanocapa con características DNG simulado tanto régimen visible y UV para cosecha energía solar. Método analítico diferencias finitas dominio temporal (FDTD) seguido formación estructura, análisis, y CST Microwave Studio (MWS) 2017 comercial usado simulación. Por tanto, condiciones frontera estándar aplicadas análisis propagación onda así como polarización plano TE, TM también modeladas absorción ángulo amplio. Para estructura metaabsorbedor nano‑rango optimizado, algoritmos genéticos (AG) aplicados exitosamente muchos diseños diferentes obtener resultado positivo [33, 34]. Por tanto, absorbedor propuesto adoptó algoritmo similar [33] encontrar características material índice negativo (NIM). Figura 1c ilustra dominio diseño celda unidad optimizada AG donde forma nano split Hexa y dividida cuadrícula 10 × 7. Dentro cuadrícula, subdividida cuadrícula 3 × 3 representa forma hexagonal. Mecanismo real es interpolación datos obtener absorción mejorada variando dimensión geométrica preservando forma nanoestructura. Objetivo AG extraer metamaterial SHPA frecuencia visible máximo posible características NIM. Parámetros dispersión evaluados durante simulación procedidos programa MATLAB extraer caracterización y análisis propiedad relevante. Investigación numérica muestra más 95 % absorción ambos regímenes frecuencia con características metamaterial zurdo significativas. Así, SHPA propuesto con validación fabricada adicional puede probar su campo aplicación potencial como cosecha energía solar, proceso acumulación fotones célula solar, o amplificación fotónica.

SHPA nano‑metaabsorbedor. a Dimensión física. b Configuración simulación. c Ilustración codificación optimizada AG

Diseño computacional y metodología

Metaabsorbedor SHPA metamaterial modelado como sustrato doble capa, Arseniuro galio (GaAs), y Níquel (óptico), y capa parches diseñada Oro (Au). GaAs 80‑nm espesor con permitividad lossy 12,94 y Ni 100‑nm (Fig. 1a). Tabla 1 muestra detalle dimensión estructura celda unidad. Espesor parche SHPA 90 nm, y película Au despreciable campo magnético localizado, conductividad isotrópica 4,1 × 10⁷ S/m [35]. Según 'tensor conductividad Drude anisotrópico' [36], solo componente Z campo magnético local considerado. Porque componente ortogonal otros dos ejes mucho más débil componente Z. Durante simulación condición frontera periódica direcciones X e Y aplicando PEC (conductor eléctrico perfecto) y PMC (conductor magnético perfecto) respectivamente capa superior e inferior (Fig. 1b). Conductividad anisotrópica celdas unidad asegurada incorporando campo magnético localizado. Parámetros S SHPA simulados, rango 430 THz a 1000 THz paso 100 THz. Reflexión (R), transmisión (T), y absorción (A) rango obtenido A = 1−T−R donde |S₁₁|² = R y |S₂₁|² = T. Onda plano campo eléctrico definido E = E_xCos(ωt + kz) propagando hacia eje Z donde E_x amplitud campo eléctrico, ω frecuencia angular, t tiempo, k número onda.

Desarrollo estructura geométrica metamaterial sugerido Pendry [37] ampliamente aplicable rango microondas pero régimen THz, i.e., frecuencia visible y óptica muestra desventajas mayores permeabilidad negativa y propagación paralela sustrato multicapa. Así, enfoque diseño alternativo [38] metal‑dieléctrico‑metal ilustra buena respuesta dipolo magnético resonante propagación normal estructura que demuestra permeabilidad negativa y estructura capa simplificada relativamente fácil fabricar nanoescala. Además, diseñar metaabsorbedor propiedades DNG tres dimensiones requiere varias características estructura como propagación retrógrada, efecto Doppler invertido, amplificación onda evanescente, etc. Aunque análisis teórico y capacidades respecto espectro frecuencia visible ya descritos expertos [39,40,41]. Así, metaabsorbedor nanoestructura película delgada basado características DNG concernido negativo ε y μ y comúnmente empleado array periódico metálico delgado. Array parches metálicos delgados diluye plasma electrón libre descrito modelo 'Drude' pero como consideramos capa superior lossy por tanto

donde ω_p frecuencia plasma reducida depende dimensión geométrica capa delgada, ω_m frecuencia resonancia magnética, γ_m pérdidas, M_m determina fuerza resonancia magnética.

Resultados, análisis, y discusión

Potencia celda unidad y propiedades dieléctricas

Según método foto‑cuántico, cierta cantidad potencia requiere condición frontera celda unidad, especialmente dirección propagación, ángulo polarización, flujo corriente E‑field y H‑field, etc. Analicemos potencia requerida propagar dirección multi‑cristalina [42]. Ecuaciones (2) y (3) basadas teorema vector Poynting complejo inspirado [42, 43]. Hecho es potencia recibida celda unidad sería luz solar, omnidireccional, y flujo potencia usando absorbedor debe ir dirección mejorar eficiencia. Así, potencia onda propagada simplemente proporcional parte real vector relacionado parámetro promedio temporal. Potencia estimulada uno o ambos puertos propagará través celda unidad. Resto energía saldrá todos puertos (potencia saliente). Potencia aceptada celda unidad convertida pérdidas como propiedades materiales dieléctricos, parches, o elementos concentrados considerados nano‑brazos SHPA. Considerando parte real potencia promedio complejo dirección Z

Que también válido (Z_‑ve dirección) describir flujo neto energía puerto específico. Factor ½ Ec. (2) relacionado promediado temporal campo horario. Parte imaginaria potencia puede ignorarse debido energía reactiva o almacenada no propagada y puede calcular potencia transmitida (P_T) observando potencia promedio temporal ejes X y Y respectivamente‑

Similarmente, potencia aceptada y saliente calculada usando ecuación [43] y graficada Fig. 2 donde potencia asociada (Fig. 2a) y potencia través celda unidad (Fig. 2b) nano‑metaabsorbedor observados durante simulación. Potencia estimulada limitada 0,5 vatios todo espectro, mientras potencia aceptada y saliente ambos puertos distribución viceversa. Sin embargo, flujo potencia 3D muestra características inusuales debido inercia momento dipolo rango frecuencia operación y estado penetración material no homogéneo. Partiendo 430 THz, mayoría momento dipolo no organizado ya operación THz etapa inicial efecto polarización y constantemente teniendo efecto dipolo propio después 715 THz, continuado hasta 1000 THz. Además, propiedad semiconductor GaAs, así como características ferromagnéticas Ni, responsables disuadir

Distribución potencia SHPA metaabsorbedor (a) distribución 2D (b) flujo potencia 3D través celda unidad

flujo potencia pero afortunadamente no tan dominante. Propiedades dieléctricas (ε, μ, η) extraídas parámetro S para investigación numérica evaluar propiedades metamaterial. Absorbedor celda unidad tres materiales diferentes tienen características aisladas propagación EM, pero esta dimensión estructural única con capacitancia e inductancia cascada parches superiores modifican propiedades dieléctricas convencionales características material individual y representan propiedades únicas. Ahora, extrayendo propiedades dieléctricas método DRI [44] usado donde coeficiente transmisión (S₂₁) y coeficiente reflexión (S₁₁) fueron parámetros críticos.

Figura 3 muestra todos resultados simulados propuesto SHPA nano‑metaabsorbedor. Figura 3a,b magnitud S₁₁ y S₂₁ magnitud casi consistente tanto parte real e imaginaria. Aunque respuesta rango infrarrojo tres puntos resonancia pequeños consecutivos debido efecto profundidad piel (δ) estructura, afortunadamente juega papel positivo obteniendo permitividad, permeabilidad, e índice refracción negativos. Figura 3c,d,e respectivamente muestra valor real e imaginario estas propiedades y aseguran existencia metamaterial propuesto SHPA. Además, intensos campos electromagnéticos evanescentes térmicos [45] necesarios considerarse debido perspectiva aplicación cosecha energía solar. Experimentalmente mencionado [45, 46] que, durante radiación campo cercano, dos conducciones calor material consecutivas aumentan gradualmente. Además, polaritones superficie dominan ondas evanescentes y según 'modelo Drude', permitividad y permeabilidad complejas determinadas polarizaciones onda dentro celda unidad. Figura 3 c,d,e presenta propiedades dieléctricas donde operación longitud onda menor permitividad y permeabilidad afectadas esta onda evanescente. Por tanto, características negativas celda unidad propuesta significativamente visibles y aseguran buena absorción EM. Características línea transmisión y ROS (ratio onda estacionaria voltaje) SHPA nano‑absorbedor Fig. 4 claramente muestran cantidad reflexión

Características metamaterial SHPA. a Respuesta S₁₁. b Respuesta S₂₁. c Permitividad. d Permeabilidad. e Índice refracción espectro visible e infrarrojo

Carta Smith muestra ROS celda unidad SHPA espectro impedancia normalizada

y rendimiento línea transmisión. ROS 430 THz impedancia alta, y media longitud onda línea no tiene buen acoplamiento fuente lado carga. Por tanto, cantidad absorción señal EM también baja frecuencia menor, pero gradualmente impedancia intentó acoplar (con normalizada) tanto como posible resultando absorción > 90 % espectro infrarrojo (1000 THz). Como celda unidad representa elemento absorbedor en lugar elemento radiador; por tanto, ROS lado carga no tiene valor mayor.

Análisis efecto campo

Naturaleza EM luz onda electromagnética transversal regiones visible. Luz proveniente sol dividida tres espectros: infrarrojo, visible, ultravioleta (UV). Distribución energía espectral luz solar máxima intensidad 1,5 eV rango visible similar mayoría materiales semiconductor mientras otros dos espectros producen calor si absorbidos. Así, considerando típica propagación EM luz visible y condiciones frontera Fig. 1b, rendimiento numérico campo eléctrico (E‑field) y magnético (H‑field) mostrado Fig. 4. Aunque características frecuencia resonancia 445 THz presentes figura pero todo ancho banda 430~650 THz tienen distribución similar campo. Ahora, ecuaciones vectoriales onda mencionadas [47]

donde operador diferencial vectorial unidimensional ∇ varía ligeramente variación fase durante propagación EM onda, componentes campo eléctrico y magnético E_m y H_m respectivamente, constante propagación \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \) cantidad compleja relacionada atenuación y desviación fase onda. Puesto onda luz visible tiene propiedades onda y partícula, propagación onda través material celda unidad muestra variación términos características E‑field y H‑field. Además, γ tiene relación no lineal propiedades dieléctricas frecuencia operación aumenta gradualmente. Figura 5 muestra cada nano split SHPA componente E‑field significativo (2,31 × 10⁶ V/m escala log) existe resonancia 550 THz. Aunque región frecuencia simulada (visible y UV), este fuerte E‑field observado ligera variación amplitud. Barras parche horizontales y verticales (con cuatro splits) también contribuyen componente campo variación amplitud (2,08 × 10⁵~2,31 × 10⁶ V/m escala log). Durante análisis transitorio celda unidad SHPA (cascada dos etapas) dada capacitancia e inductancia 1,37 × 10⁻¹⁷ nF y 3,87 × 10⁻¹⁴ nH aceleran operación frecuencia resonancia campo. H‑field (Fig. 5b) efecto similar propagación EM dirección Z, y durante penetración medio inhomogéneo, Ec. (5) se convierte funciones Z y en la cual permeabilidad magnética constante. Entonces ecuación onda correspondiente reducida "ecuación diferencial Ricatti" [48]

Efecto campo SHPA resonancia 550 THz. a E‑field. b H‑field

donde k número onda, y m(z) índice refracción complejo. Además, retardación fase onda aumenta ratio velocidad fase espacio libre y medio, otra contribución significativa celda unidad SHPA propuesta menor reflectancia y absorbe más energía onda.

Polarización onda luz estudiada celda unidad SHPA propuesta explicar factibilidad celda unidad cosecha energía solar ya onda polarizada a través superficie pierde energía durante propagación. Formulación Hamiltoniana [49] mencionada elementos matriz dipolo transición varían polarización TE y TM diferentes ángulos incidencia onda material GaAs. Ángulo polarización tanto modo TE como TM aumentan tamaño paso 40 ° (Fig. 6), y ángulo polarización campo eléctrico tiene efecto sorprendentemente dominante comparado orientación campo magnético. Durante modo TE, rango inferior, aproximadamente 430–650 THz (690 nm a 460 nm) [50], para diferencia dada combinación sustrato Ni‑GaAs, diferencia entre capas núcleo y revestimiento hace índice refracción variable que aumenta cuando longitud onda visible se acerca banda prohibida. Por tanto, fluctuación cantidad absorción observada ese espectro (Fig. 6a), mientras polarización TM muestra tipo fluctuación similar a pesar cambios ángulo polarización 0 ° a 120 °. Modo TM, desajuste fase generalmente grande longitudes onda mayores. Además, forma hexagonal tiene efecto significativo absorción durante variación gap split y altura parche. Capacitancia formada gap split parche varía mientras capacitancia adyacente posición parche se mantiene. Figura 6c gap split cambia 5 nm a 25 nm y menor gap split da excelente absorción por capacitancia sustancial. A pesar cambio gap, absorción casi permanece > 90 % 5 nm, y aumento gradual gap split hace caída absorción inicial alrededor 430–500 THz pero overall 95 % absorción observada durante simulación. En términos altura SHPA (Fig. 6d), como split parche permanece 10 nm, área propagación señal EM colectivamente aumenta tanto incidencia normal como oblicua y por tanto altura split optimizada valor mayor con absorción. Para altura o espesor SHPA 60 nm a 90 nm absorción promedio 85 % a 88 %, que directamente establece optimizado 90 nm.

Efecto polarización absorción. a Polarización TE. b Polarización TM y efecto estructura SHPA. c Gap split vs. absorción. d Altura vs. absorción

Sin embargo, prototipo fabricado y resultados medición SHPA apoyarían datos simulados, que se llevarán próxima fase estudio. Además, imagen comparativa descrita Tabla 2 entender contribución propuesto nano‑metaabsorbedor. Tabla 2, artículo reportado [51] muestra buena eficiencia, pero frecuencia operación y rendimiento banda estrecha lo hacen incapaz cumplir operación frecuencia visible. Otros artículos [52, 53] reivindican aplicaciones cosecha energía solar, pero ancho banda y rango operación lo hacen más vulnerable comparado otros.

Conclusiones

En este artículo, metaabsorbedor metamaterial split hexagonal propuesto usando Au seis nano‑brazos basado sustrato GaAs y Ni para aplicaciones cosecha energía solar. Análisis foto‑cuántico y distribución flujo potencia matemáticamente muestran celda unidad propuesta tiene significativa posibilidad conversión fotón aplicaciones fotovoltaicas o célula solar. Rendimiento celda unidad propuesta SHPA analizado basado propiedades dieléctricas, rendimiento línea transmisión, distribución campo y potencia, absorción términos estudio paramétrico. Todos datos extraídos parámetro S través simulación CST MWS, que muestra características DNG existen con absorción EM ultrabanda ancha (más 95 %) tanto espectro visible y UV luz. Unidad parche Hexa optimizada gap split 10 nm y altura 90 nm para absorción declarada. Validación experimental absorbedor propuesto continuará ser candidato deseable aplicaciones cosecha energía rango THz.

Disponibilidad datos y materiales

Todos datos completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

CDN:

Dipolo nanoantena clásico

DRI:

Índice refracción directo

DNG:

Doble negativo

EM:

Electromagnético

FDTD:

Diferencias finitas dominio temporal

GA:

Algoritmo genético

PV:

Fotovoltaico

SHPA:

Array parches hexagonales divididos

UV:

Ultravioleta