Absorvedor de energia solar altamente eficiente, perfeito, grande angular e banda ultralarga para faixa de UV a MIR

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18044 (2022) Citar este artigo

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Embora diferentes materiais e designs tenham sido testados em busca do absorvedor de luz ideal, bem como de banda ultralarga, alcançar absorção de luz não polarizada robusta e de banda ultralarga em uma ampla faixa angular provou ser um grande problema. Os recursos de regulação do campo de luz fornecidos pelos metamateriais ópticos são uma nova técnica potencial para absorvedores perfeitos. Nosso objetivo é projetar e demonstrar um absorvedor solar de banda ultralarga para a região do ultravioleta ao infravermelho médio que tenha uma capacidade de absorção de luz TE/TM de 96,2% em média. Nas bandas visível, NIR e MIR do espectro solar, a energia absorvida é superior a 97,9%, superior a 96,1% e superior a 95%, respectivamente sob radiação solar de acordo com o Índice de massa de ar 1,5 (AM1,5) investigação de espectro. Para alcançar essa absorção de banda larga, a camada de base do material TiN é seguida pela camada de SiO2 e, acima dela, uma camada de Cr com ressonadores padronizados baseados em Ti de padrões múltiplos circulares e retangulares. Mais aplicações em dispositivos optoeletrônicos integrados poderiam se beneficiar da forte absorção do absorvedor solar ideal, grandes respostas angulares e construção escalável.

Absorção completa de luz omnidirecional e polarizada naturalmente em uma determinada faixa de onda, que pode ser alternativamente chamada de "absorvedores de corpo negro", é extremamente benéfica em energia solar fotovoltaica e outras aplicações, como fotodetecção e moduladores ópticos1,2. Esforços têm sido feitos para desenvolver absorvedores que sejam os melhores possíveis. Florestas de nanotubos de carbono3, nanocones de silício4, nanobastões de óxido5, várias nanoestruturas metálicas6 e assim por diante são alguns dos nanomateriais e nanoestruturas comuns usados ​​atualmente em absorvedores de corpo negro. Essas estruturas artificiais de subcomprimento de onda com respostas ópticas controladas e metasuperfícies surgiram recentemente como potenciais candidatos a absorvedores perfeitos. As vantagens dos absorvedores perfeitos de metasuperfície no gerenciamento do campo de luz, incluindo sua fácil integração, espessura ultrafina e alto desempenho, atraíram muitas pesquisas7,8. Padrões de metal, espaçadores dielétricos e uma camada metálica de cima para baixo são a típica configuração tipo sanduíche de absorvedores de energia solar perfeitos de metamateriais (MSPSEAs)9. Também é importante notar que os MSPSEAs relatados originalmente operam em um único comprimento de onda10,11,12,13 na faixa de baixa frequência14, o que limita sua aplicabilidade prática15. Como resultado, vários esforços foram feitos para ampliar a largura de banda de absorção e aumentar a frequência de resposta. Para aumentar a frequência de resposta, os tamanhos dos recursos da célula unitária podem ser reduzidos. A ampliação da faixa de absorção pode ser realizada de duas formas: pela sobreposição dos picos de absorção ou pela redução do fator de qualidade da ressonância16,17,18,19,20. Estrutura multicamada, nanocompósitos plasmônicos e células unitárias de tamanho gradual foram todos investigados para atender aos objetivos declarados acima21. Outro fator que pode afetar o desempenho do absorvente é o material de que é feito. Outros materiais e dielétricos além dos metais e dielétricos mais tradicionais têm sido usados ​​para construir MSPSEAs de banda larga, incluindo TiN, ITO e até fósforo preto22,23,24,25. Espera-se que essas metasuperfícies atinjam absorção de banda ultralarga (UWB) nos últimos anos e demonstraram ter cerca de 85% de absorção em uma banda operacional ultralarga, que inclui comprimentos de onda de UV a infravermelho próximo (NIR)26. Devido à sua difícil produção e design de configuração, os MSPAs agora são incapazes de atingir simultaneamente bandas de trabalho ultralargas e alta absortividade (> 90%). Novos materiais e arranjos são necessários para alcançar a absorção impecável de UWB.

Metais requintados são freqüentemente usados ​​nesses absorvedores perfeitos devido à sua ressonância de plásmon e propriedades de acoplamento óptico27. Um espectro de absorção estreito é dificultado pelo armazenamento curto e custos elevados para os metais mais requintados. Para atender a demanda, serão necessários absorvedores com espectro mais amplo. Utilizando titânio metálico, Lui et al. foram capazes de obter ampla absorção em toda a faixa de comprimento de onda28. Mesmo à temperatura ambiente, o titânio é notavelmente estável. Este metal refratário tem um ponto de fusão de 1668 graus Fahrenheit. Além disso, os metamateriais de titânio (Ti) demonstraram ter capacidade de absorção de banda larga29,30. Como o componente imaginário da constante dielétrica foi bastante reduzido, a perda de absorção de luz pode ocorrer em uma ampla faixa de frequência. A plasmônica é considerada uma das principais características do titânio e seus compósitos por causa disso31,32,33. As qualidades de absorção de plasmon do titânio são devidas a essas características. Por outro lado, os metais refratários, que suportam temperaturas mais altas, são mais adequados para materiais absorvedores solares. Embora não seja tão abundante quanto ouro, prata ou cobre, o titânio é capaz de atender com sucesso às preocupações de baixas reservas e altos custos porque seus depósitos mundiais são significativamente maiores. Devido às qualidades únicas desses sistemas ressonantes baseados em metais refratários, novos equipamentos como células solares e sistemas de transferência de calor podem ser desenvolvidos, bem como os mais estabelecidos34,35,36,37,38.