UV から MIR の範囲に対応する、高効率、完璧、大角度、超広帯域の太陽エネルギー吸収体

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18044 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

理想的な超広帯域光吸収体を求めてさまざまな材料や設計が試みられてきましたが、広い角度範囲にわたって超広帯域で堅牢な非偏光吸収を達成することが大きな課題であることが判明しています。 光学メタマテリアルによって提供される光照射野制御機能は、完全な吸収体の潜在的な新技術です。 TE/TM光の吸収率が平均96.2%となる、紫外から中赤外領域の超広帯域太陽光吸収体を設計・実証することが目標です。 太陽スペクトルの可視帯域、NIR帯域、およびMIR帯域では、エアマスインデックス1.5（AM1.5）による太陽放射下での吸収エネルギーはそれぞれ97.9％以上、96.1％以上、95％以上であると測定されます。スペクトルの調査。 この広帯域吸収を達成するために、TiN 材料のグランド層の後に SiO2 層が続き、その上に円形と長方形の複数パターンのパターン化された Ti ベースの共振器を備えた Cr 層が配置されます。 統合された光電子デバイスのさらなる用途は、理想的な太陽光吸収体の強力な吸収、大きな角度応答、および拡張可能な構造から恩恵を受ける可能性があります。

「黒体吸収体」とも呼ばれる、特定の波長帯にわたる全方向性の自然偏光の全方位完全吸収は、太陽光発電や、光検出や光変調器などのその他の用途において非常に有益です1、2。 可能な限り優れた吸収材を開発するために努力が払われてきました。 カーボン ナノチューブ フォレスト 3、シリコン ナノコーン 4、酸化物ナノロッド 5、さまざまな金属ナノ構造 6 などは、現在黒体吸収体に使用される一般的なナノ材料およびナノ構造の一部です。 制御された光応答を備えたこれらの人工のサブ波長構造とメタ表面は、最近、完全な吸収体の潜在的な候補として浮上しています。 ライトフィールドの管理におけるメタサーフェス完全吸収体の利点（その容易な統合、極薄の厚さ、高性能など）は、多くの研究を惹きつけている7,8。 金属パターン、誘電体スペーサー、および上から下までの金属層は、メタマテリアル完全太陽エネルギー吸収体 (MSPSEA) の典型的なサンドイッチ状構成です9。 また、最初に報告された MSPSEA は、低周波数範囲 14 の単一波長 10、11、12、13 で動作するため、実際の適用可能性が制限されていることも注目に値します 15。 その結果、吸収帯域幅を広げ、応答周波数を高めるために多くの努力が払われてきました。 応答周波数を高めるために、ユニットセルのフィーチャーサイズが縮小される場合があります。 吸収範囲を広げるには、吸収ピークを重ねるか、共振品質係数を下げるという 2 つの方法で実現できます 16、17、18、19、20。 多層構造、プラズモニックナノ複合材料、および段階的なサイズの単位セルはすべて、上記の目標を達成するために研究されてきました21。 アブソーバーの性能に影響を与える可能性のあるもう 1 つの要因は、アブソーバーの素材です。 広帯域 MSPSEA の構築には、従来の金属や誘電体を超えた他の材料や誘電体 (TiN、ITO、さらには黒リンなど) も使用されています 22、23、24、25。 これらのメタサーフェスは、近年超広帯域（UWB）吸収を達成すると期待されており、紫外から近赤外（NIR）波長を含む超広帯域動作帯域にわたって約 85 パーセントの吸光度を持つことが実証されています26。 製造と構成設計が難しいため、MSPA は現在、超広帯域の動作帯域と高い吸収率 (> 90%) を同時に達成することができません。 UWB の完璧な吸収を実現するには、新しい素材と配置が必要です。

プラズモン共鳴と光結合特性により、これらの完全吸収体には精巧な金属がよく使用されます27。 狭い吸収スペクトルは、最も精巧な金属の貯蔵期間の短さと高価なコストによって妨げられます。 需要に応えるためには、より広いスペクトルの吸収体が必要になります。 金属チタンを使用して、Lui et al. 波長範囲全体にわたって広い吸収を得ることができました28。 室温でもチタンは非常に安定です。 この高融点金属の融点は華氏 1668 度です。 さらに、チタン (Ti) メタマテリアルは広帯域吸収能力を持つことが示されています 29,30。 誘電率の虚数成分が大幅に減少しているため、広い周波数範囲にわたって光吸収の損失が発生する可能性があります。 このため、プラズモニクスはチタンとその複合材料の主要な特徴とみなされています 31,32,33。 チタンのプラズモン吸収特性はこれらの特性によるものです。 一方、高温に耐えることができる高融点金属は、太陽光吸収材としてより適しています。 チタンは、金、銀、銅ほど豊富ではありませんが、世界中で埋蔵量が大幅に多いため、埋蔵量の少なさとコストの高さの懸念にうまく対処できます。 これらの高融点金属ベースの共鳴システムの独特の性質により、太陽電池や熱伝達システムなどの新しい機器や、より確立された機器を開発することができます34、35、36、37、38。

本論文では、紫外から近赤外領域をカバーする太陽スペクトルにおいて高い吸収特性を有する超広帯域太陽エネルギー吸収体（UWBSEA）を開発しました。 窒化チタンの金属層により、電磁波はユニットセルから逃げることができず、高い吸収に寄与します。この特性は、特定の層の厚さだけでなく波長にも依存します。 2670 nm の波長範囲では 90% 以上の平均吸収応答が観察され、2000 nm の波長範囲では 95% 以上の平均吸収を達成しました。 開発された UWBSEA の設計プロセスは「設計とモデリング」で説明され、その結果は「結果と考察」で提示および詳細に説明され、「結論」で論文が要約されます。

UWBSEA は、図 1a に見られるように、最下層の窒化チタン層から始まる 4 つの層で構成され、その下地層の上に二酸化シリコンの 2 番目の層が配置されます。 3 番目の層はクロム材料であり、その低コストと反射特性により選択されます26。 この構造が UWB 応答を達成する主な理由であり、電磁波の吸収に寄与する主なコンポーネントです。 方形共振器 (RR) と円形共振器 (CR) の最上層はチタン材料で構成されているため、共振器全体の構造が対称になり、偏波に依存しない応答に貢献します。 提案された UWBSEA の物理パラメータは、上面図と正面図を含む構造のいくつかの図表現を使用して、図 1b ～ d に示されています。 図1b〜dに示すように、構造の長さSLは500 nmで、RR、SRL、SRL1の外側と内側の長さはそれぞれ400 nmと300 nmです。 CR の半径 CRR は 100 nm に設定されています。 窒化チタン層の厚さ T1 は 600 nm (T2) に固定され、SiO2 層の厚さも 700 nm に設定されます。 クロム層の厚さ T3 は 300 nm に固定され、RR の厚さ TRR は 600 nm に設定され、CR の厚さ TCR は 900 nm に維持されるように決定されます。 UWBSEA は、TiN、SiO2、Cr 材料で設計された 3 つの層と、Ti 材料を使用した多重共振器構造で構成されています。 FEM アプローチは、UWBSEA の反射、透過、および電界プロファイルをシミュレートするために使用されました 39。 全方向に5nmの四面体メッシュを採用。 x と y の両方に沿った周期的な境界条件を使用して、単位セルの 3D モデルが構築されます。 z 方向は、単位セルに入射する平面波を発射するために使用されました。 チタン (Ti)、窒化チタン (TiN)、SiO2、およびクロム材料の複素屈折率は、それぞれ 40、41、42 から得られます。

開発された UWBSEA 構造 (a) UWBSEA の構造図、(b) UWBSEA の複数の共振器構造を示す上面図、(c) UWBSEA のさまざまな層を示す正面図、(d) 複数の共振器構造の拡大図UWBSEA の概要と、開発された UWBSEA の構築に使用された材料。

FEM 法を使用してさまざまな構造の吸収スペクトルをシミュレーションしました。さまざまな構造のシミュレーション結果を図 2 に示します。このように、最適な構造を設計したため、どの構造でも達成される透過率はゼロになります。したがって、T = 0 として、A = 1 – R を使用して吸収率を決定できます。ここで、R は反射を示し、T は透過率を示します。これは、図 3 と図 4 に示すシミュレーション結果を使用して検証されます。 UWBSEA の吸収最適化手順を図 2a に示します。 図 2b は、吸収性能が徐々に向上する場合のシミュレーションされたスペクトルを示しています。 まず、最適化を考慮して共振器（WR）構造を持たないTiN、SiO2、Cr層の3層構造を採用し、この構造により紫外から中赤外までの平均吸収率47.27％の全体平均吸収率を実現しました（ MIR) 範囲はそれぞれ 57.27%、48.3%、45.03%、50.41% であり、最大吸収率 95.49% が観察されます。

最適化された UWBSEA 構造の段階的な達成を示します。(a) UWB 吸収が達成されるまでの SEA 構造の複数のバリエーションと (b) 対応する吸収プロット、(c) 新しい構造の挿入の効果を示す棒プロット全体の平均吸収量に基づいて計算されます。

開発した UWBSEA の吸収応答 (a)、開発した UWBSEA の吸収、反射率、および透過率の応答、2670 nm の UWB 範囲で 90% 以上の平均吸収が達成され、2670 nm の UWB 範囲で 95% 以上の平均吸収が観察されます。 6 つのほぼ完全な吸収ピークを持つ 2000 nm、(b) 太陽光 AM1.5 条件下での吸収。 開発された UWBSEA では可視範囲内で非常に少量の太陽エネルギーが失われており、それ以外の場合はほぼ同じ吸収が観察されます。

シミュレーションした次の構造では、長方形共振器 (WRR) のない前の構造に厚さ 900 nm の Ti 材料の円形共振器を追加しました。図 2b で観察できるように、達成された吸収率応答は非常に変動しており、平均値が得られます。図2cに示すように、全体の吸収は49.95％、UVからMIRまでの吸収はそれぞれ49.64％、48.45％、50.39％、49.35％であり、この構造では、最大吸収率99.56％が達成されます。 2 番目の構造は、UWB に関してほぼ完璧な吸収率応答を達成しましたが、まだ不十分であり、以前の構造と比較した改善は非常にわずかで、わずか 2% です。 私たちが採用した3番目の構造は、サーキュレータ共振器（WCR）を持たず、図2aに示すように、厚さが600 nmの同じ材料の長方形共振器で置き換えられました。 この構造の吸収応答では、全体の平均吸収率 89.44% が観察され、UV から MIR までの平均吸収率はそれぞれ 85.67%、93.42%、89.69%、および 88.41% であり、観察された最大ピークは 99.97% でした。 ここでは、吸収応答の劇的な変化が観察され、ほぼ完璧な吸収ピークも達成されていますが、図2bで観察すると、1100 nm付近で吸収が急激に低下しており、それでも吸収応答は滑らかではなく、スパイクが発生しています。 。 そこで、吸収応答をさらに改善し、最適化された構造（OS）を得るために、図1aに示すように円形共振器と長方形共振器を組み合わせた構造を採用しました。全体的な特性を観察できるため、吸収結果がそれ自体を物語っています。平均吸収率は96.2%であり、同時にUVからMIRまでの平均吸収率はそれぞれ97.04%、97.90%、96.12%、95.04%です。 99.94% というほぼ完璧な最大吸収率も観察されています。 それぞれのバンドで観察できるように、95% を超える平均吸収率を達成しており、CR および RR の Ti 材料層が UWB およびほぼ完璧な吸収率応答の達成に大きく貢献していると結論付けることができます。 図 2 では、最適な設計により、あらゆる構造で透過率がゼロに達していることがわかります。

開発したUWBSEAの吸収、透過率、反射率のスペクトルを図3aに示します。UWBとほぼ完璧な吸収応答を達成したことがわかります。 図 3a で観察できるように、200 ～ 2870 nm で 90% 以上の平均吸収応答を達成しています。これは 2670 nm の帯域幅に相当し、この波長範囲では 96.71% の平均吸収が観察されます。 。 提案された UWBSEA 以外にも、200 ～ 2200 nm (帯域幅 2000 nm) で 95% 以上の平均吸収応答が実証され、この範囲では 97.20% の平均吸収が達成されます。 これとは別に、200 nm ～ 3000 nm のシミュレーション範囲では、提案された UWBSEA は、UV から Mir 範囲全体に広がる 6 つのほぼ単一のピークを示しています。

図3aに示すように、6つのピークλ1からλ6は0.22μm、0.56μm、1.5μm、1.79μm、2.63μm、2.69μmに位置し、ピーク吸収率は99.94%、99.38%、99.83%、99.89%です。 、99.19%、99.37%でした。 結果として、UWBSEA 構造は広い吸収スペクトルを持っていると確信できます。 それとは別に、開発されたUWBSEAは、UVから近赤外までの広い波長範囲にわたって太陽エネルギーを吸収することができます。 また、前述したように、この最適化された構造により、UV から MIR バンドまで平均 97.04%、97.90%、96.12%、95.04% の吸収が得られます。 日射吸収体の吸収性能は、重要な指標である太陽光スペクトログラムを使用して決定できます。 この式を使用して、AM1.5 の入射太陽エネルギーの世界的なスペクトル方程式を得ることができます 43:

280 ～ 3000 nm における太陽光吸収体のスペクトル吸収は、式 1 から計算できます。 （1）および開発されたUWBSEAによって吸収および逃される太陽エネルギーは、図3bに示されています。 この研究では、地球規模の AM1.5 太陽光スペクトルに太陽光吸収材を設置することによって吸収および損失される太陽エネルギーの量を推定します。 開発された UWBSEA の優れた吸収性能により、太陽スペクトルの可視帯域、NIR 帯域、および MIR 帯域での吸収エネルギーは、それぞれ 97.9 パーセント以上、96.1 パーセント以上、95 % 以上であると測定されています。バンド。 UWBSEA が実現すれば、統合されたオプトエレクトロニクスを特徴とする低コストで高性能の吸収体の開発への道が開かれることになります。

図１０〜図１６で実行されたパラメータ分析は次の通りである。 図 4 と 5 は、物理パラメータも吸収応答に影響を与えることを示しています。 図 4a は、100 nm から 500 nm まで均一に増加する Cr 層の厚さの影響を示すカラー プロットを示しています。すべての値で 90% を超える吸収応答が達成されており、この図から最適なパラメータを決定することはできません。したがって、吸収に関する詳細な分析が実行され、図4bに示されています。このプロットに示されているように、すべてのバンドで平均吸収が94%を超えていますが、300 nmでは平均吸収率94.48を達成しています。 UV から MIR 範囲まで %、98.20%、95.28%、および 96.1% であり、平均全体吸収率と最大吸収率はそれぞれ 95.71%、99.95% であり、可視吸収率、MIR 吸収率、および全体吸収率で最高であり、これにより Cr 層が厚さは300nmに保たれます。 吸収スペクトルに対する100 nmの均一な上昇を伴って500から1000 nmまで変化する構造長の影響が図4cに示されており、吸収はすべての長さの値について1500 nmまで全く同一であることが観察でき、大きな変動は可能です。この波長の後で見られ、図4dに示す詳細な吸収分析から、構造長500 nmの場合、UVからMIRまでの平均吸収率94.7％、97.67％、94.91％、および94.94％を達成しており、最大吸収率で達成されます。全体の平均吸収率はそれぞれ 99.89% と 95.19% でした。 図 4e は、すべての値で 25 nm から 125 nm まで均一に上昇しながら 50 nm から増加する CR 半径の影響を調査するカラー プロットを示しています。ほぼ同等の吸収応答が達成されており、ここから最適なパラメーターを決定するのは困難です。したがって、吸収に関する詳細な分析が実行され、図4fに示されています。このプロットに示されているように、すべてのバンドの平均吸収は100 nmまで増加し、この値で94.71の平均吸収率を達成しています。 UV から MIR 範囲まで %、97.67%、94.91%、94.94% であり、平均全体吸収率と最大吸収率はそれぞれ 95.19%、99.92% であり、これにより CR 半径は 100 nm に保たれます。

吸収応答に影響を与えるさまざまな UWBSEA 物理パラメータ、(a) 吸収応答に影響を与えるクロム層の厚さ、(b) クロム層を増加させるときの UV から MIR を含むさまざまな領域の平均吸収および最大吸収率の変化を示す折れ線グラフ100 nmから500 nmまでの厚さ（100 nmずつ段階的に変化）、（c）吸収応答に影響を与える構造の長さ、（d）UVからMIRを含むさまざまな領域の平均吸収の変化と最大吸収率を示す折れ線グラフ。構造の長さを100 nmずつ徐々に変化させながら500 nmから1000 nmに増加させます。(e) 吸収応答に影響を与える円形共振器の半径。(f) UVからMIRも含むさまざまな領域の平均吸収の変化を示す折れ線グラフ。円形共振器半径を 50 nm から 125 nm まで 50 nm ずつ徐々に変化させながら増加させると、最大吸収率となります。

吸収応答に影響を与えるさまざまな UWBSEA 物理パラメータ、(a) 吸収応答に影響を与える基板層の厚さ、(b) 基板層の増加に伴う UV から MIR を含むさまざまな領域の平均吸収および最大吸収率の変化を示す折れ線グラフ100 nmずつ段階的に変化する500から1000 nmまでの厚さ、(c) 吸収応答に影響を与える長方形の共振器の厚さ、(d) UVからMIRを含むさまざまな領域の平均吸収の変化を示す折れ線グラフと最大吸収率。長方形の共振器の厚さを100 nmずつ徐々に変化させながら500 nmから1000 nmに増加させます。(e) 吸収応答に影響を与える円形共振器の厚さ。(f) UVからMIRも含むさまざまな領域の平均吸収の変化を示す折れ線グラフ。円形共振器の厚さを 100 nm ずつ徐々に変化させながら 500 nm から 1000 nm まで増加させると、最大吸収率が変化します。

図 5 は、さまざまな構造の厚さが吸収スペクトルに及ぼす影響を示しています。 吸収スペクトルに対する100 nmの均一な上昇で500から1000 nmまで変化する基板層の厚さの影響が図5aに示されており、吸収はすべての値でまったく同一であり、最適なパラメータを決定することはできないことがわかります。この図は、図 5b に示す詳細な吸収解析によるもので、構造長 700 nm の場合、UV から MIR までの平均吸収率 94.48%、98.2%、95.28%、および 96.1% を達成しており、最大吸収率と全体の吸収率が達成されています。平均吸収はそれぞれ 99.93% と 95.71% であるため、この厚さは 700 nm に保たれます。 図 5c は、500 nm から 100 nm の均一な増加で 1000 nm まで増加する RR 厚さの影響を示すカラープロットを示しています。これは、すべての値で 90% 以上の吸収応答を達成していることと、図 5 で実行された詳細な吸収分析からわかります。 5d では、ほとんどの厚さですべてのバンドの平均吸収が 90% を超えていることが観察され、500 nm 自体では、UV から MIR の範囲で 96.22%、98.70%、94.28%、および 91.67% という最高の平均吸収率を達成しています。平均全体吸収率は 94.4%、最大吸収率は 99.97% です。 吸収スペクトルに対する100 nmの均一な上昇で500から1000 nmまで変化するCRの厚さの影響が図5eに示されており、吸収が大きな影響を受けており、大きな変動が見られることがわかります。正しく理解していただくために、図 5 (f) に示す詳細な吸収分析を実行しました。900 nm の CR 厚さでは、UV から MIR までの最高の平均吸収率 91.68%、95.88%、96.942%、および 96.968% を達成しています。最大吸収率は 99.99%、全体の平均吸収率は 96.09% になります。

さらに、開発した UWBSEA が 0.22 μm、0.56 μm、1.5 μm、1.79 μm、2.63 μm、2.69 μm で広帯域吸収をどのように生成できるかを説明するために、XY と 2 つのビューを含む電磁界分布 (EFD) がシミュレーションおよび実証されています。 XZ とその描写をそれぞれ図 6a ～ f および g ～ l に示します。 図6a、gに示すように、220 nmで99.94％の最初のピークが観察され、最大EFは長方形上にのみ広がり、小さなEFは円形共振器構造上に広がります。 560 nm で 99.38% の 2 番目のピークが観察され、図 6b の EFD プロットでは、長方形共振器全体に少量の EF が見られますが、EF の大部分は円形共振器全体に集中しています。

2 つの異なるビュー、つまり XY および XZ での 6 つのほぼ完全な吸収ピークにおける開発された UWBSEA の電場分布の表示 (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。

1500 nmで99.83％の3番目のピークが観察され、最大EFは長方形および円形の共振器構造全体に広がっており、図6c、iに示すように、前のケースと比較して長方形の共振器の下部でより深いEFが見られます。 。 1790 nmで99.83％の4番目のピークが観察され、図6dのEFDプロットでは、長方形共振器と円形共振器全体にわたってより高い量のEFが見られ、ここでも外表面の最大EF濃度が得られました。 CR および RR 表面の。 ここでは、クロムと SiO2 層の上に少量の EF も観察できます。 2630 nm で 99.19% の 5 番目のピークが観察され、前のケースで観察されたのと同じ量の EF が長方形および円形の共振器構造全体に広がっており、図に示すように前のケースと比較して Cr および SiO2 層で高い EF 濃度が見られます。図6e、k。 2690 nmでは、99.37%の6番目のピークが観察され、図6f、1aのEFDプロットでは、長方形共振器と円形共振器全体にわたってより高い量のEFが見られ、ここでも外表面の最大EF濃度が得られました。最大 EF 濃度が Cr 層と SIO2 層全体に広がっている、CR および RR 表面の分布。 これらの構造に共通することの 1 つは、TiN の下地層が透過率の減衰に寄与しているため、EF 集中が見られず、結果としてこの層での吸収がゼロであることです。

太陽光吸収体が自然界で広く使用されるためには、偏光に依存せず、大きな入射角 (IA) の影響を受けない必要があります。 図7では、さまざまな偏光状態のいくつかの光源について、入射角と波長に対する吸収率がプロットされています。 図 7a は、TE 偏光下での吸収応答を示しています。この図から、30 度を超えると、図 7b に示すように吸収に関してさらに詳細な分析を行った後、可視および紫外帯域で吸収の低下が観察され始めていることがわかります。全体の平均吸収率、NIR MIR の平均吸収率は 60 度の IA で依然として 90% を超えており、UV ～ MIR 帯域で 60.36%、47.6%、91%、91.81% という最高の平均吸収率を達成しています。 IA 30 度を超えると、UV および可視バンドの平均吸収率が徐々に低下することが観察されます。 TM偏光によって影響を受ける吸収応答を図7cに示します。図7c、dの両方から、TE偏光とTM偏光が開発されたUWBSEAに同様に影響を与えることがわかり、提案されたUWBSEAの偏波に依存しない特性が証明されています。 図7eは、非偏光（UP）光の下での吸収応答を示しています。この図から、50度を超えると、図7fに示すように吸収に関してさらに詳細な分析を行った後、すべてのバンドで吸収の低下が観察され始めていることがわかります。 、全体の平均吸収率は 50 度の IA で依然として 80% を超えており、UV から MIR 帯域で 90.9%、86%、81.37%、77.4% という最高の平均吸収率を達成しています。 IA 70 度を超えると、UV および可視バンドの平均吸収率が徐々に低下することが観察されます。 したがって、ここで、提案された構造は、TE および TM 条件と比較して、非偏光条件下で高度に吸収できると明確に言えます。 さらに、非偏光の場合、より高い IA を実現するために可視領域でのより高い吸収が達成されます。また、この範囲では太陽放射の濃度が高いため、これらの結果は明らかに光起電力デバイスの改善にも応用できる可能性を秘めています。 提示された構造の共振器構造は対称であるため、TE モードと TM モードの両方に対して同一の吸収応答が達成されました。 私たちの構造の吸収応答は、可視領域の 60°までの入射角のみで非常に狭い範囲でわずかに変化します。60°までは可視領域を除く各領域でより高い吸収が達成され、残りの角度ではさらに低下します。 この問題を解決するには、これらの特定の角度での光線の入射を回避し、適切な吸収応答を達成して太陽光発電デバイスの性能を向上させるプラットフォームを構築できます。

さまざまな IA に対する UWBSEA の吸収応答、(a) TE に対する IA の吸収応答、(b) 基板層の厚さを 0 から 0 まで増加させたときの、UV から MIR を含むさまざまな領域の平均吸収および最大吸収率の変化を示す折れ線グラフ。 10°の段階的な変化を伴う80度、(c) TMのIAの吸収応答、(d) IAを0から増加させるときのUVからMIRを含むさまざまな領域の平均吸収および最大吸収率の変化を示す線プロット10°ずつ段階的に変化しながら°から80°まで、(e)非偏光のIAの吸収応答、(f)UVからMIRを含むさまざまな領域の平均吸収の変化と、最大吸収率の増加に伴う最大吸収率の変化を示す折れ線グラフ。 IAは0°から80°まで10°ずつ変化します。

表 1 から、当社の UWBSEA には他の吸収体に比べて大きな利点があることが明らかです。 ここで使用される Ti から SiO2 までの各材料は、一般に太陽光吸収材に使用される貴重な材料と比較して、容易に入手でき、コスト効率の高い材料であることを指摘しておきたいと思います。 さらに、提案された構造に使用されるすべての材料の厚さは 1000 nm 以下です。 最初の 3 つの層、つまり TiN、SiO2、Cr は薄膜堆積を利用して簡単に堆積でき、その後の Ti ベースの共振器は単に長方形と円柱をベースにした構造であり、リソグラフィーを利用して簡単に製造できます。提示された構造は非常に基本的なものです。 したがって、提案された構造はより単純かつ迅速に構築できると言えます。 第二に、当社の吸収体の吸収効率は 2000 nm で 95%、2670 nm で 90% と他の吸収体よりも高く、優れています。 当社の結果によると、AM1.5 での加重平均吸収効率と比較した場合、当社の吸収体は優れた平均吸収効率を示しています。 すべてを考慮すると、太陽光吸収材はそのシンプルなデザインと高性能により、太陽光吸収の重要な部分であることは明らかです。

究極の超広帯域光吸収体を求めて、いくつかの材料と設計が試みられてきましたが、広い角度範囲にわたって超広帯域で強力な非偏光光吸収を達成することは、重大な課題であることが判明しています。 光学メタマテリアルのライトフィールド制御機能は、完全な吸収体に対する潜在的な新しいソリューションです。 私たちの目的は、平均 TE/TM 光吸収率が 96.2% である、紫外から中赤外範囲の超広帯域太陽光吸収体を作成し、実証することです。 AM1.5 スペクトル分析によると、太陽スペクトルの可視領域、NIR 領域、および MIR 領域では、吸収エネルギーはそれぞれ 97.9% を超え、96.1% を超え、95% を超えています。 これとは別に、2000 nm の波長範囲では平均吸収率 97.2% で 95% 以上の平均吸収を達成し、2670 nm の波長範囲では平均吸収率 96.71% で 90% 以上の平均吸収を達成しました。 %。 この広帯域吸収を生成するために、TiN 材料のグランド層の後に SiO2 層が続き、その後に多くの円形および長方形に設計された Ti ベースの共振器を備えた Cr 層が続きます。 より統合された光電子デバイスのアプリケーションでは、完璧な太陽光吸収体の高い吸収性、大きな角度応答、および拡張性から利益を得ることができます。

データは、責任著者への合理的な要求に応じて利用可能になります。

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ショビット・K・パテル

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アルン・クマール・ウダヤクマール

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G.マヘンドラン

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B.ヴァスデヴァン

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ジェイミット・プレッシャー

マルワディ大学電子通信工学部、ラージコート、グジャラート、360003、インド

ジュベリヤ・パルマル

機械材料工学部、ネブラスカ大学リンカーン校、1400 R St.、ネブラスカ、68588、米国

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SKPがこのアイデアを思いつきました。 SKP と AU が方法論に関与し、AU と GM がレイヤードデザインを設計し、BV がスクエアリングデザインを設計し、JS と JP が最終デザインを設計および最適化しました。すべての著者が記事の執筆に貢献しました。 SKPがプロジェクトを監督した。

Shobhit K. Patel への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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パテル、SK、ウダヤクマール、A.、マヘンドラン、G. 他。 UV から MIR 範囲に対応する、非常に効率的で完璧な、大きな角度と超広帯域の太陽エネルギー吸収体です。 Sci Rep 12、18044 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22951-1

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受信日: 2022 年 8 月 22 日

受理日: 2022 年 10 月 21 日

公開日: 2022 年 10 月 27 日

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光および量子エレクトロニクス (2023)

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