Absorbedor de energía solar de gran angular y banda ultraancha altamente eficiente, perfecto, para el rango de UV a MIR

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18044 (2022) Citar este artículo

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Aunque se han probado diferentes materiales y diseños en busca del absorbente de luz ideal y de banda ultraancha, lograr una absorción de luz no polarizada robusta y de banda ultraancha en un amplio rango angular ha demostrado ser un problema importante. Las capacidades de regulación del campo de luz proporcionadas por los metamateriales ópticos son una nueva técnica potencial para absorbentes perfectos. Nuestro objetivo es diseñar y demostrar un absorbedor solar de banda ultraancha para la región del ultravioleta al infrarrojo medio que tenga una capacidad de absorción de luz TE/TM del 96,2 % en promedio. En las bandas visible, NIR y MIR del espectro solar, se determina que la energía absorbida es superior al 97,9 %, superior al 96,1 % y superior al 95 %, respectivamente, bajo radiación solar según el índice de masa de aire 1,5 (AM1,5) investigación del espectro Para lograr esta absorción de banda ancha, la capa base de material TiN es seguida por la capa de SiO2 y, además, una capa de Cr con resonadores basados en Ti modelados de patrones circulares y rectangulares múltiples. Más aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos integrados podrían beneficiarse de la fuerte absorción, las grandes respuestas angulares y la construcción escalable del absorbedor solar ideal.

La absorción completa y completa de luz omnidireccional y naturalmente polarizada en una banda de onda dada, que alternativamente se pueden llamar "absorbedores de cuerpo negro", es extremadamente beneficiosa en la energía solar fotovoltaica y otras aplicaciones como la fotodetección y los moduladores ópticos1,2. Se han realizado esfuerzos para desarrollar absorbentes que sean lo mejor posible. Los bosques de nanotubos de carbono3, los nanoconos de silicio4, las nanovarillas de óxido5, varias nanoestructuras metálicas6, etc., son algunos de los nanomateriales y nanoestructuras comunes que se utilizan actualmente en los absorbentes de cuerpo negro. Estas estructuras artificiales de sublongitud de onda con respuestas ópticas controladas y metasuperficies han surgido recientemente como candidatos potenciales para absorbentes perfectos. Las ventajas de los absorbentes perfectos de metasuperficie en el manejo del campo de luz, incluida su fácil integración, espesor ultrafino y alto rendimiento, han atraído una gran cantidad de investigación7,8. Los patrones de metal, los espaciadores dieléctricos y una capa metálica de arriba a abajo son la típica configuración en forma de sándwich de los absorbedores de energía solar perfectos de metamateriales (MSPSEA)9. También vale la pena señalar que los MSPSEA informados originalmente operan en una sola longitud de onda10,11,12,13 en el rango de baja frecuencia14, lo que limita su aplicabilidad práctica15. Como resultado, se han realizado varios esfuerzos para ampliar el ancho de banda de absorción y mejorar la frecuencia de respuesta. Para aumentar la frecuencia de respuesta, es posible que se reduzcan los tamaños de características de la celda unitaria. La ampliación del rango de absorción se puede lograr de dos formas: superponiendo los picos de absorción o reduciendo el factor de calidad de resonancia16,17,18,19,20. Se han investigado la estructura multicapa, los nanocompuestos plasmónicos y las células unitarias de tamaño gradual para cumplir los objetivos establecidos anteriormente21. Otro factor que puede afectar el rendimiento del absorbedor es el material del que está hecho. Se han utilizado otros materiales y dieléctricos más allá de los metales y dieléctricos más tradicionales para construir MSPSEA de banda ancha, incluidos TiN, ITO e incluso fósforo negro22,23,24,25. Se espera que estas metasuperficies alcancen la absorción de banda ultraancha (UWB) en los últimos años y se ha demostrado que tienen aproximadamente un 85 % de absorbancia en una banda operativa ultraancha, que incluye longitudes de onda de UV a infrarrojo cercano (NIR)26. Debido a su difícil producción y diseño de configuración, los MSPA ahora no pueden alcanzar simultáneamente bandas de trabajo ultra anchas y alta absorción (> 90%). Se necesitan nuevos materiales y arreglos para lograr una absorción perfecta de UWB.

Los metales exquisitos se utilizan con frecuencia en estos absorbentes perfectos debido a su resonancia de plasmones y sus propiedades de acoplamiento óptico27. Un espectro de absorción estrecho se ve obstaculizado por el almacenamiento breve y los costos elevados de los metales más exquisitos. Para satisfacer la demanda, serán necesarios absorbentes con un espectro más amplio. Usando titanio metálico, Lui et al. fueron capaces de obtener una amplia absorción en todo el rango de longitud de onda28. Incluso a temperatura ambiente, el titanio es notablemente estable. Este metal refractario tiene un punto de fusión de 1668 grados Fahrenheit. Además, se ha demostrado que los metamateriales de titanio (Ti) tienen capacidades de absorción de banda ancha29,30. Debido a que el componente imaginario de la constante dieléctrica se ha reducido considerablemente, la pérdida de absorción de luz puede ocurrir en un amplio rango de frecuencias. Se considera que la plasmónica es una característica importante del titanio y sus compuestos debido a esto31,32,33. Las cualidades de absorción de plasmones del titanio se deben a estas características. Por otro lado, los metales refractarios, que pueden soportar temperaturas más altas, son más adecuados para materiales absorbentes solares. Aunque no es tan abundante como el oro, la plata o el cobre, el titanio puede abordar con éxito las preocupaciones de reservas bajas y costos altos porque sus depósitos en todo el mundo son significativamente más grandes. Debido a las cualidades únicas de estos sistemas resonantes basados en metales refractarios, se pueden desarrollar nuevos equipos como células solares y sistemas de transferencia de calor, así como otros más establecidos34,35,36,37,38.

En este artículo, hemos desarrollado un absorbedor de energía solar de banda ultraancha (UWBSEA) con una característica de alta absorción en el espectro solar que cubre las regiones UV a NIR. Debido a la capa metálica de nitruro de titanio, las ondas electromagnéticas no pueden escapar de la celda unitaria y contribuyen a la alta absorción y esta característica también depende de la longitud de onda y del grosor de la capa en particular. Se observa una respuesta de absorción promedio superior al 90 % para el rango de longitud de onda de 2670 nm y para el rango de longitud de onda de 2000 nm hemos logrado una absorción promedio de más del 95 %. El proceso de diseño del UWBSEA desarrollado se analiza en "Diseño y modelado" y sus resultados se presentan y se detallan en "Resultados y discusión", mientras que "Conclusión" resume el documento.

El UWBSEA se compone de cuatro capas, comenzando en la capa inferior, tenemos una capa de nitruro de titanio, y en esa capa de tierra se coloca la segunda capa de dióxido de silicio, como podemos observar en la Fig. 1a. La tercera capa es de material cromo y se selecciona por su bajo costo y propiedades de reflexión26. Esta estructura es la razón principal detrás de lograr la respuesta UWB y los principales componentes que contribuyen a la absorción de las ondas electromagnéticas. La capa superior del resonador rectangular (RR) y el resonador circular (CR) está hecha de material de titanio y, por lo tanto, hace que la estructura general del resonador sea simétrica y la respuesta contribuye a la respuesta independiente de la polarización. Los parámetros físicos del UWBSEA propuesto se demuestran en la Fig. 1b–d con varias representaciones de vista de la estructura, incluidas las vistas superior y frontal. Como se indica en la figura 1b-d, la longitud de la estructura, SL, es de 500 nm, y las longitudes exterior e interior de RR, SRL y SRL1 son de 400 nm y 300 nm, respectivamente. El radio de CR, CRR, se establece en 100 nm. El espesor de la capa de Nitruro de Titanio, T1, se fija en 600 nm, T2, y el espesor de la capa de SiO2 también se establece en 700 nm. Mientras que el espesor de la capa de cromo, T3, se fija en 300 nm y el espesor de RR, TRR, se establece en 600 nm, y el espesor de CR, TCR, se decide mantener en 900 nm. El UWBSEA se compone de tres capas diseñadas con materiales TiN, SiO2 y Cr y una estructura multirresonador con material Ti. El enfoque FEM se utilizó para simular los perfiles de reflexión, transmisión y campo eléctrico del UWBSEA39. En todas las direcciones se emplea una malla tetraédrica de 5 nm. Con condiciones de contorno periódicas a lo largo de x e y, se construye el modelo 3D de una celda unitaria. La dirección z se usó para lanzar ondas planas que inciden en la celda unitaria. Los índices de refracción complejos del material de titanio (Ti), nitruro de titanio (TiN), SiO2 y cromo se derivan de 40,41,42, respectivamente.

Estructura UWBSEA desarrollada (a) la vista estructural de la UWBSEA, (b) vista superior que muestra las estructuras de múltiples resonadores de la UWBSEA, (c) vista frontal que muestra las diversas capas de la UWBSEA, (d) vista mejorada de las estructuras de múltiples resonadores del UWBSEA y los materiales utilizados para la construcción del UWBSEA desarrollado.

El método FEM se usó para simular los espectros de absorción de varias estructuras, y los resultados simulados de varias estructuras se muestran en la Fig. 2. Como aquí, debido a la estructura óptima que diseñamos, la transmitancia lograda es cero para todas y cada una de las estructuras. por lo que podemos determinar la absortividad usando A = 1 – R, como T = 0, donde R denota reflexión y T es transmitancia y esto se valida usando los resultados de simulación presentados en las Figs. 2 y 3. En la Fig. 2a se muestra una ilustración del procedimiento de optimización de absorción de UWBSEA. La Figura 2b muestra los espectros simulados a medida que el rendimiento de absorción mejora gradualmente. Para empezar, hemos empleado la estructura de tres capas que consta de estructuras de capa de TiN, SiO2 y Cr sin resonador (WR) teniendo en cuenta la optimización, y esta estructura proporcionó la absorción promedio general de 47.27% de absorción promedio de UV a infrarrojo medio ( MIR) siendo el rango 57.27%, 48.3%, 45.03%, 50.41%, respectivamente y se observa la máxima absortividad de 95.49%.

Representación del logro paso a paso de la estructura UWBSEA optimizada, (a) variaciones múltiples de estructuras SEA hasta que se logra la absorción UWB y (b) gráfico de absorción correspondiente, (c) gráfico de barras que representa el efecto de insertar nuevas estructuras sobre la absorción media global.

respuesta de absorción del UWBSEA desarrollado (a), respuesta de absorción, reflectancia y transmitancia del UWBSEA desarrollado, se alcanza una absorción promedio superior al 90 % para el rango UWB de 2670 nm y se observa una absorción promedio superior al 95 % para el rango UWB de 2000 nm con los seis picos de absorción casi perfectos, (b) absorción en condiciones solares AM1.5. El UWBSEA desarrollado está perdiendo una cantidad muy pequeña de energía solar en el rango visible; de lo contrario, se observa una absorción casi idéntica.

En la siguiente estructura que simulamos, agregamos el resonador circular de Ti con un espesor de material de 900 nm a la estructura anterior sin un resonador rectangular (WRR) y, como podemos observar en la Fig. 2b, la respuesta de absorbancia lograda es muy fluctuante proporcionando el promedio absorción total del 49,95 % como se muestra en la Fig. 2c y la absorción en UV a MIR es del 49,64 %, 48,45 %, 50,39 %, 49,35 %, respectivamente y para esta estructura, se alcanza la absorbencia máxima del 99,56 %. Aunque la segunda estructura logró la respuesta de absorción casi perfecta en términos de UWB, todavía le falta y la mejora en comparación con una estructura anterior es muy insignificante, ya que es solo un 2%. La tercera estructura que empleamos no tenía resonador circulador (WCR) y la reemplazamos con un resonador rectangular del mismo material con un espesor de 600 nm como se indica en la Fig. 2a. La respuesta de absorción de esta estructura observó una absorción total promedio de 89.44 %, y la absorción promedio en UV a MIR es 85.67 %, 93.42 %, 89.69 % y 88.41 %, respectivamente y el pico máximo observado es 99.97 %. Aquí hemos observado un cambio drástico en la respuesta de absorción y también estamos logrando el pico de absorción casi perfecto, pero si observamos en la Fig. 2b alrededor de 1100 nm, tenemos una fuerte caída en la absorción y aún así, la respuesta de absorción no es suave y alcanza picos. . Entonces, para mejorar aún más la respuesta de absorción y obtener la estructura optimizada (OS), empleamos la estructura con la combinación de un resonador circular y rectangular como se muestra en la Fig. 1a y los resultados de absorción hablan por sí mismos, ya que podemos observar el general. absorción promedio de 96.2% ya su vez, la absorción promedio en UV a MIR es de 97.04%, 97.90%, 96.12% y 95.04%, respectivamente. También se ha observado la absorbencia máxima casi perfecta del 99,94%. Como podemos observar para todas y cada una de las bandas, estamos logrando una absorción promedio superior al 95 % y podemos concluir que la capa de material de Ti de CR y RR contribuye en gran medida a lograr el UWB y una respuesta de absorción casi perfecta. En la Fig. 2 podemos observar que para todas y cada una de las estructuras logramos una transmitancia cero debido al diseño óptimo.

Los espectros de absorción, transmitancia y reflectancia del UWBSEA desarrollado se muestran en la Fig. 3a, y podemos observar que logramos el UWB y una respuesta de absorción casi perfecta. Como podemos observar en la Fig. 3a, de 200 a 2870 nm estamos logrando la respuesta de absorción promedio del 90% o más del 90% siendo este el ancho de banda de 2670 nm y en este rango de longitud de onda se observa la absorción promedio del 96.71% . Además del UWBSEA propuesto, también demuestra una respuesta de absorción promedio del 95 % o superior al 95 % de 200 a 2200 nm (ancho de banda de 2000 nm) y en este rango, se logra una absorción promedio del 97,20 %. Aparte de esto, en el rango simulado de 200 nm a 3000 nm, el UWBSEA propuesto demuestra los seis picos cercanos a la unidad que se extienden desde los rangos UV hasta Mir.

Como se demuestra en la Fig. 3a, los seis picos λ1 a λ6 están ubicados a 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm y 2,69 µm con una absorbencia máxima del 99,94 %, 99,38 %, 99,83 %, 99,89 %. , 99,19% y 99,37%, respectivamente. Como resultado, podemos decir con certeza que la estructura UWBSEA tiene un amplio espectro de absorción. Aparte de eso, el UWBSEA que se desarrolló es capaz de absorber energía solar en un amplio rango de longitudes de onda, desde UV hasta MIR. Y como se mencionó anteriormente, esta estructura optimizada también proporciona una absorción promedio de 97,04 %, 97,90 %, 96,12 % y 95,04 % de las bandas UV a MIR. El rendimiento de absorción de un absorbedor solar se puede determinar utilizando un espectrograma solar, un índice importante. Es posible obtener la ecuación espectral mundial para la energía solar incidente de AM1.5 utilizando esta fórmula43:

El espectro de absorción de un absorbente solar a 280–3000 nm se puede calcular a partir de la ecuación. (1) y la energía solar absorbida y perdida por el UWBSEA desarrollado se demuestra en la Fig. 3b. En este estudio, estimamos la cantidad de energía solar absorbida y perdida al instalar absorbentes solares en el espectro solar global AM1.5. En las bandas visible, NIR y MIR del espectro solar, se determina que la energía absorbida es superior al 97,9 %, superior al 96,1 % y superior al 95 %, respectivamente, debido al rendimiento de absorción superior del UWBSEA desarrollado en todos y cada uno de los casos. banda. A medida que la UWBSEA fructifique, allanará el camino para el desarrollo de absorbentes de bajo costo y alto rendimiento con optoelectrónica integrada.

El análisis de parámetros realizado en las Figs. 4 y 5, demuestra que los parámetros físicos también afectan la respuesta de absorción. La Figura 4a demuestra el diagrama de color que indica la influencia del aumento del espesor de la capa de Cr desde 100 nm con un aumento uniforme de 100 nm hasta 500 nm que para todos los valores estamos logrando la respuesta de absorción por encima del 90% y no se puede decidir el mejor parámetro de esta figura por lo tanto, se lleva a cabo el análisis detallado en términos de absorción y se muestra en la Fig. 4b y, como se muestra en este gráfico, se observa que la absorción promedio en todas las bandas está por encima del 94%, pero a 300 nm estamos logrando absorciones promedio de 94.48 %, 98,20 %, 95,28 % y 96,1 % del rango de UV a MIR con una absorción total promedio y una absorbencia máxima de 95,71 %, 99,95 %, respectivamente, siendo las más altas para las absorbancias visible, MIR y total y, debido a esto, la capa de Cr el espesor se mantiene a 300 nm. El impacto de la longitud de la estructura que varía de 500 a 1000 nm con un aumento uniforme de 100 nm en el espectro de absorción se representa en la Fig. 4c y podemos observar que la absorción es bastante idéntica hasta 1500 nm para todos los valores de longitud y se pueden observar variaciones importantes. visto después de esta longitud de onda y del análisis de absorción detallado que se muestra en la Fig. 4d, para 500 nm de longitud de estructura estamos logrando absorciones promedio en UV a MIR de 94.7%, 97.67%, 94.91% y 94.94% se logran con la máxima absorbencia y la absorción promedio general de 99.89% y 95.19%, respectivamente. La Figura 4e muestra el diagrama de color que investiga la influencia del radio de CR que aumenta de 50 nm con un aumento uniforme de 25 nm a 125 nm para todos los valores, estamos logrando la respuesta de absorción casi equivalente y es difícil decidir el mejor parámetro de este por lo tanto, el análisis detallado en términos de absorción se lleva a cabo y se muestra en la Fig. 4f y, como se muestra en este gráfico, la absorción promedio en todas las bandas aumenta hasta 100 nm y, en este valor, estamos logrando absorciones promedio de 94.71 %, 97,67 %, 94,91 % y 94,94 % del rango de UV a MIR con una absorción total promedio y una absorbencia máxima de 95,19 %, 99,92 %, respectivamente y, debido a esto, el radio CR se mantiene en 100 nm.

Varios parámetros físicos de la UWBSEA que afectan la respuesta de absorción, (a) espesor de la capa de cromo que afecta la respuesta de absorción, (b) diagrama de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la absorción máxima a medida que aumentamos la capa de cromo espesor de 100 a 500 nm con el cambio gradual de 100 nm, (c) longitud de una estructura que afecta la respuesta de absorción, (d) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la absorción máxima como aumentamos la longitud de la estructura de 500 a 1000 nm con el cambio gradual de 100 nm, (e) radio del resonador circular que afecta la respuesta de absorción, (f) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR también como máxima absorbencia a medida que aumentamos el radio del resonador circular de 50 a 125 nm con el cambio gradual de 50 nm.

Varios parámetros físicos de UWBSEA que afectan la respuesta de absorción, (a) grosor de la capa de sustrato que afecta la respuesta de absorción, (b) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la máxima capacidad de absorción a medida que aumentamos la capa de sustrato espesor de 500 a 1000 nm con el cambio gradual de 100 nm, (c) espesor del resonador rectangular que afecta la respuesta de absorción, (d) diagrama de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la absorción máxima como aumentar el grosor del resonador rectangular de 500 a 1000 nm con el cambio gradual de 100 nm, (e) grosor del resonador circular que afecta la respuesta de absorción, (f) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR también como máxima absorbencia a medida que aumentamos el espesor del resonador circular de 500 a 1000 nm con el cambio gradual de 100 nm.

La Figura 5 demuestra el impacto de varios espesores estructurales en el espectro de absorción. La influencia del espesor de la capa del sustrato que varía de 500 a 1000 nm con un aumento uniforme de 100 nm en el espectro de absorción se representa en la Fig. 5a y podemos observar que la absorción es bastante idéntica para todos los valores y no se puede decidir el mejor parámetro a partir de esta figura, por lo tanto, el análisis de absorción detallado que se muestra en la Fig. 5b, para 700 nm de longitud de estructura, estamos logrando absorbancias promedio en UV a MIR de 94.48%, 98.2%, 95.28% y 96.1% se logran con la máxima absorbencia y el total absorción media del 99,93% y 95,71%, respectivamente, por lo que este espesor se mantiene en 700 nm. La Figura 5c demuestra el gráfico de colores que indica la influencia del aumento del espesor de RR desde 500 nm con un aumento uniforme de 100 nm hasta 1000 nm que para todos los valores estamos logrando la respuesta de absorción por encima del 90% y del análisis de absorción detallado realizado en la Fig. 5d, la absorción media en todas las bandas está por encima del 90 % para la mayoría de los espesores observados y a 500 nm estamos alcanzando las absorciones medias más altas de 96,22 %, 98,70 %, 94,28 % y 91,67 % del rango UV a MIR con una absorción global media y una absorbencia máxima del 94,4 %, 99,97 %, respectivamente. El impacto del grosor de CR que varía de 500 a 1000 nm con un aumento uniforme de 100 nm en el espectro de absorción se representa en la Fig. 5e y podemos observar que la absorción se ve muy afectada y se pueden ver variaciones importantes y para Para obtener una comprensión adecuada, hemos llevado a cabo el análisis de absorción detallado que se muestra en la Fig. 5 (f), para 900 nm de grosor CR estamos logrando las absorbancias promedio más altas en UV a MIR de 91.68%, 95.88%, 96.942% y 96.968% se logran con la absorbencia máxima y la absorción promedio general de 99,99% y 96,09%, respectivamente.

Además, para explicar cómo el UWBSEA desarrollado puede generar una absorción de banda ancha a 0,22 µm, 0,56 µm, 1,5 µm, 1,79 µm, 2,63 µm y 2,69 µm, se simulan y demuestran distribuciones de campo electromagnético (EFD) para dos vistas que incluyen XY y XZ con su representación en la Fig. 6a–f y g–l, respectivamente. Se observa el primer pico de 99.94% a 220 nm y el EF máximo solo se distribuye sobre el EF rectangular y el EF menor se distribuye sobre las estructuras del resonador circular como se muestra en la Fig. 6a, g. A 560 nm se observa el segundo pico del 99,38 % y en el gráfico EFD de la Fig. 6b, se encuentra una pequeña cantidad de EF en el resonador rectangular, mientras que la mayor parte de la EF se concentra en el resonador circular.

Representación de la distribución del campo eléctrico del UWBSEA desarrollado en los seis picos de absorción casi perfectos con dos vistas diferentes, es decir, XY y XZ, respectivamente (a,g) 0,22 µm, (b,h) 0,56 µm, (c,i) 1,5 µm , (d,j) 1,79 µm, (e,k) 2,63 µm, (f,l) 2,69 µm.

Se observa el tercer pico de 99,83 % a 1500 nm y la EF máxima se distribuye por todas las estructuras del resonador rectangular y circular con una EF más profunda que se encuentra en la parte inferior del resonador rectangular en comparación con los casos anteriores, como se muestra en la Fig. 6c, i . A 1790 nm se observa el cuarto pico del 99,83 % y en el gráfico EFD de la Fig. 6d, se encuentra una mayor cantidad de EF en el resonador rectangular y en el resonador circular. Aquí también obtuvimos la concentración máxima de EF en la superficie exterior. de superficie CR y RR. Aquí también podemos observar la pequeña cantidad de EF sobre la capa de cromo y SiO2. Se observa el quinto pico de 99,19% a 2630 nm y la misma cantidad de EF se distribuye por todas las estructuras del resonador rectangular y circular como se observó en casos anteriores con una concentración de EF más alta en las capas de Cr y SiO2 en comparación con los casos anteriores, como se muestra en la Fig. 6e,k. A 2690 nm se observa el sexto pico del 99,37 % y en el gráfico EFD de la Fig. 6f, se encuentra la mayor cantidad de EF en el resonador rectangular y en el resonador circular. Aquí también obtuvimos la concentración máxima de EF en la superficie exterior. de superficie CR y RR con la concentración máxima de EF repartida entre las capas de Cr y SIO2. Lo único común en estas estructuras es que la capa base de TiN contribuye a la extinción de la transmitancia, por lo que no se encuentra concentración de EF y, como resultado, la absorción es cero en esta capa.

El absorbedor solar debe ser independiente de la polarización e insensible a grandes ángulos de incidencia (IA) para poder emplearse ampliamente en la naturaleza. La absorbencia se representa frente al ángulo de incidencia y la longitud de onda en la Fig. 7 para varias fuentes de luz con varios estados de polarización. La figura 7a muestra la respuesta de absorción bajo luz polarizada TE y, a partir de la figura, es visible que comenzamos a observar la caída en la absorción en las bandas visible y UV después de 30 grados y después de un análisis más detallado en términos de absorción, como se demuestra en la figura 7b. , la absorción promedio general, la absorción promedio en NIR MIR aún está por encima del 90 % para la IA de 60 grados y logramos las absorciones promedio más altas de 60,36 %, 47,6 %, 91 % y 91,81 % en las bandas UV a MIR. La caída gradual en la absorbancia promedio de las bandas UV y visible se observa después de 30 grados IA. La respuesta de absorción afectada por la luz polarizada TM se muestra en la Fig. 7c y podemos decir de la Fig. 7c, d que las luces polarizadas TE y TM afectan al UWBSEA desarrollado de manera idéntica, lo que demuestra las características independientes de la polarización del UWBSEA propuesto. La figura 7e representa la respuesta de absorción bajo luz no polarizada (UP) y, a partir de la figura, es visible que comenzamos a observar la caída en la absorción en cada banda después de 50 grados y después de un análisis más detallado en términos de absorción, como se demuestra en la figura 7f , la absorción promedio general aún está por encima del 80 % para la IA de 50 grados y alcanzamos las absorciones promedio más altas de 90,9 %, 86 %, 81,37 % y 77,4 % en las bandas de UV a MIR. La caída gradual en la absorbancia promedio de las bandas UV y visible se observa después de 70 grados IA. Entonces, aquí podemos afirmar claramente que la estructura propuesta puede absorber mucho en condiciones de luz no polarizada en comparación con las condiciones TE y TM. Además, para la luz no polarizada, logramos una mayor absorción en la región visible para una IA más alta y, dado que la concentración de radiación solar es alta en este rango, estos resultados también se embarcan claramente en una aplicación potencial para la mejora de los dispositivos fotovoltaicos. La estructura del resonador de la estructura presentada es simétrica y, por lo tanto, hemos logrado una respuesta de absorción idéntica para los modos TE y TM. La respuesta de absorción de nuestra estructura varía ligeramente en un rango muy pequeño solo para el ángulo de incidencia hasta los 60° para la región visible ya que hasta los 60° logramos la mayor absorción para cada región excepto la visible y se degrada aún más para el resto de los ángulos. Para resolver este problema, podemos construir una plataforma para evitar la incidencia del rayo en estos ángulos particulares y lograr la respuesta de absorción adecuada para mejorar el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos.

Respuesta de absorción de UWBSEA para varios IA, (a) respuesta de absorción para IA para TE, (b) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la absorción máxima a medida que aumentamos el espesor de la capa del sustrato de 0 a 80 grados con el cambio gradual de 10°, (c) respuesta de absorción para IA para TM, (d) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la máxima absorción a medida que aumentamos el IA de 0 ° a 80° con el cambio gradual de 10°, (e) respuesta de absorción para IA para luz no polarizada, (f) gráfico de líneas que indica el cambio en la absorción promedio para varias regiones, incluyendo UV a MIR, así como la absorbencia máxima a medida que aumentamos la IA de 0° a 80° con el cambio gradual de 10°.

Está claro en la Tabla 1 que nuestro UWBSEA tiene beneficios significativos sobre otros absorbentes. Nos gustaría señalar que todos y cada uno de los materiales utilizados aquí, desde Ti hasta SiO2, son materiales fácilmente disponibles y rentables en comparación con los materiales preciosos que generalmente se usan para el absorbedor solar. Además, el espesor de todos y cada uno de los materiales utilizados para la estructura propuesta es inferior a 1000 nm. Las tres primeras capas, es decir, TiN, SiO2 y Cr, se pueden depositar fácilmente con la ayuda de la deposición de una película delgada y, más tarde, el resonador basado en Ti es simplemente una estructura basada en un rectángulo y un cilindro que se puede fabricar fácilmente con la ayuda de la litografía como las estructuras presentadas son muy básicas. Por tanto, podemos afirmar que la estructura propuesta es más sencilla y rápida de construir. En segundo lugar, la eficiencia de absorción de nuestro absorbedor es del 95 % para 2000 nm y del 90 % para 2670 nm, que es superior a la de otros absorbentes, lo que lo hace superior. Según nuestros resultados, nuestro absorbedor tiene una eficiencia de absorción promedio excelente en comparación con una eficiencia de absorción promedio ponderada en AM1.5. Cuando se tiene todo en cuenta, está claro que los absorbedores solares son una parte importante de la absorción solar debido a su diseño simple y alto rendimiento.

Se han intentado varios materiales y diseños en busca del absorbente de luz de banda ultraancha definitivo, y lograr una absorción de luz no polarizada fuerte y de banda ultraancha en un amplio rango angular ha demostrado ser un desafío importante. Las capacidades de regulación del campo de luz de los metamateriales ópticos son una nueva solución potencial para absorbentes perfectos. Nuestro objetivo es crear y demostrar un absorbente solar de banda ultraancha para el rango ultravioleta a infrarrojo medio con una absorción de luz TE/TM promedio de 96,2 %. En las regiones visible, NIR y MIR del espectro solar, según el análisis de espectro AM1.5, la energía absorbida es superior al 97,9 %, superior al 96,1 % y superior al 95 %, respectivamente. Aparte de esto, para el rango de longitud de onda de 2000 nm, logramos una absorción promedio de más del 95 % en la que la absorción promedio es del 97,2 % y para el rango de longitud de onda de 2670 nm, se logra una absorción promedio de más del 90 % con una absorción promedio de 96,71 % Para producir esta absorción de banda ancha, la capa base de material de TiN es seguida por la capa de SiO2 y luego por una capa de Cr con muchos resonadores basados en Ti de diseño circular y rectangular. Las aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos más integrados podrían beneficiarse de la alta absorción, las grandes respuestas angulares y la escalabilidad del absorbente solar perfecto.

Los datos estarán disponibles a petición razonable del autor correspondiente.

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Shobhit K. Patel

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Arun Kumar Udayakumar

Departamento de EEE, Kathir College of Engineering, Coimbatore, Tamilnadu, 641062, India

G. Mahendran

Departamento de Ingeniería Electrónica y de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería de St. Joseph, OMR, Chennai, 600119, India

B. Vasudevan

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Marwadi, Rajkot, Gujarat, 360003, India

presión jaymit

Departamento de Ingeniería Electrónica y de Comunicaciones, Universidad de Marwadi, Rajkot, Gujarat, 360003, India

Juveriya Parmar

Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, Universidad de Nebraska-Lincoln, 1400 R St., Nebraska, 68588, EE. UU.

Juveriya Parmar

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SKP concibió la idea. SKP y AU participan en la metodología, AU y GM diseñaron un diseño en capas, BV diseñó un diseño de anillo cuadrado, JS y JP diseñaron y optimizaron el diseño final. Todos los autores contribuyeron a escribir el artículo. SKP supervisó el proyecto.

Correspondencia a Shobhit K. Patel.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Patel, SK, Udayakumar, A., Mahendran, G. et al. Absorbedor de energía solar de gran angular y banda ultraancha altamente eficiente, perfecto, para el rango de UV a MIR. Informe científico 12, 18044 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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Recibido: 22 agosto 2022

Aceptado: 21 de octubre de 2022

Publicado: 27 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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