Penyerap Surya Lebar Barrung Tinggi Efisiensi Menggunakan Multilayer Nanopartikel Tungsten

Abstrak

Kami menyajikan investigasi teoretis tentang penyerap cahaya surya lebar barrung yang menggunakan lapisan tumpukan nanopartikel tungsten yang dipisahkan oleh film dielektrik SiO₂. Simulasi numerik menunjukkan rata-rata absorbansi melebihi 94 % di seluruh band 400–2500 nm. Performa tinggi berasal dari kombinasi sinergis antara resonansi plasmon permukaan lokal dalam nanosphera tungsten dan resonansi Fabry–Perot dalam tumpukan logam–dielektrik. Studi komparatif menunjukkan bahwa besi dapat berfungsi sebagai alternatif hemat biaya untuk tungsten sambil mempertahankan performa optik yang serupa. Konfigurasi logam–dielektrik–logam (MDM) datar juga diperiksa, yang mengonfirmasi absorbansi lebar barrung yang kuat.

Latar Belakang

Sistem energi surya telah menarik perhatian yang meningkat dalam beberapa dekade terakhir karena kehabisan bahan bakar konvensional dan krisis lingkungan yang berkecepatan. Mengubah sinar matahari menjadi listrik atau panas dengan polusi minimal adalah sumur strategi energi berkelanjutan. Namun, teknologi yang berlaku saat ini—modul fotovoltaik termo (TPV), generator uap yang didorong surya, dan pemanas air surya—menderita efisiensi konversi yang jarang melebihi 20 % dalam kondisi optik ideal [1]. Meningkatkan efisiensi penyerapan cahaya kolektor surya sangat penting untuk meningkatkan performa sistem secara keseluruhan.

Absorpsi lebar barrung dapat dicapai melalui fenomena resonansi seperti polariton plasmon permukaan (SPP), plasmon permukaan lokal (LSP), dan resonansi magnetik [2]. Namun, banyak penyerap yang dilaporkan bergantung pada satu resonansi dan gagal mencakup seluruh spektrum surya (200–3000 nm). Strategi umum adalah menumpukan beberapa lapisan resonansi sehingga beberapa mode tumpang tindih, menghasilkan band absorpsi lebar yang hampir sempurna. Desain umum termasuk tumpukan MDM datar, tumpukan berpiramida, dan struktur yang ditingkatkan gratis [3]–[6]. Meskipun efektif, arsitektur ini sering memerlukan fabrikasi yang rumit dan sensitif terhadap variasi proses.

Pilihan material sama pentingnya. Logam mulia seperti emas dan perak menunjukkan absorbansi hampir sempurna dalam rentang visible tetapi performa buruk di luar rentang itu, dan titik lebur mereka (~1000 °C) membatasi stabilitas di bawah operasi suhu tinggi [9]–[13]. Tungsten, sebaliknya, memiliki titik lebur tinggi, keandalan kimia, dan absorbansi lebar barrung yang kuat, menjadikannya logam de facto untuk aplikasi energi surya [14]. Dalam studi ini kami mengeksplorasi tungsten dan, sebagai alternatif hemat biaya, besi sebagai konstituen nanopartikel dalam penyerap multilayer.

Kami pertama kali memperkenalkan penyerap nanopartikel (NPA) tiga dimensi dan menyajikan hasil simulasi. Kami kemudian menjelaskan mekanisme penyerapan yang mendasarinya, membandingkan NPA dengan penyerap MDM datar (FMA), dan akhirnya membandingkan performa tungsten terhadap besi dan logam mulia.

Metode

Arsitektur inti NPA terdiri dari lapisan logam nanopartikel–dielektrik (MD) yang bergantian (Fig. 1a). Setiap lapisan logam berisi array persegi padat dari nanosphera tungsten berdiameter 20 nm yang terembed dalam matriks SiO₂; bola-bola menyentuh satu sama lain, menciptakan jaringan logam kontinu. Film dielektrik terpelindung melindungi partikel dari oksidasi. Dalam sel satuan (Fig. 1b) ketebalan dielektrik ditunjukkan dengan h dan periode lattice sama dengan diameter partikel (20 nm). Substrat bawah adalah film tungsten tebal 300 nm, cukup tebal untuk menekan transmisi.

Kami menggunakan simulasi domain waktu selisih hingga (FDTD) tiga dimensi menggunakan Lumerical FDTD. Indeks refraksi eksperimental untuk SiO₂ dan tungsten diambil dari referensi [23] dan [24]. Ukuran jaring adalah 0,1 nm, dengan kondisi batas periodik pada bidang array dan lapisan pencocokan sempurna (PML) di atas dan bawah. Untuk gelombang TM yang datang secara normal (polarisasi sepanjang x, propagasi entlang –y), absorbansi dihitung sebagai A = 1 – – . Karena ketebalan substrat melebihi kedalaman kulit, transmisi dapat diabaikan dan A ≈ 1 – di seluruh spektrum.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 menunjukkan absorbansi NPA satu lapisan MD sebagai fungsi dari ketebalan dielektrik h. Dua regime muncul: dielektrik tipis (h < 100 nm) di mana band lebar barrung meluas seiring dengan peningkatan ketebalan, dan dielektrik tebal (>100 nm) di mana cangkok panjang gelombang pendek muncul dan band secara keseluruhan menyempit. Dielektrik 100 nm memberikan kinerja seimbang tanpa cangkok dalam rentang visible, jadi kami menggunakan nilai ini untuk analisis selanjutnya.

Bahkan dengan satu pasang MD saja, NPA mencapai >80 % absorbansi dari 400 nm hingga >1600 nm, melebihi banyak penyerap yang ada. Penambahan pasang MD lebih lanjut secara progresif meningkatkan performa. Gambar 3 menggambarkan evolusi: empat lapisan menghasilkan >80 % di seluruh 400–2500 nm; delapan lapisan melebihi 90 % di atas band yang sama; dan dua belas lapisan mempertahankan >90 % di seluruhnya. Rata-rata absorbansi, yang dihitung dengan mengintegrasikan respons spektral di atas 400–2500 nm, naik dari 68,5 % (satu lapisan) menjadi 95,4 % (dua belas lapisan) (Gambar 4). Secara menarik, rata-rata mencapai >90 % dengan hanya lima lapisan, yang menunjukkan konvergensi yang cepat.

Untuk memahami asal fisika dari absorbansi yang tinggi, kami memeriksa distribusi medan listrik dalam NPA satu lapisan MD (Gambar 5). Medan terkonsentrasi di sekitar nanosphera, yang menunjukkan resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR). Karena partikel padat, LSPR tetangga berpasungan, yang mengarah pada mode absorpsi kolektif yang secara efisien menyerap energi insiden.

Dalam NPA multilayer, lapisan bawah berpartisipasi lebih kuat pada panjang gelombang yang lebih lama. Gambar 6 menunjukkan bahwa absorpsi panjang gelombang pendek didominasi oleh lapisan MD atas, sementara panjang gelombang panjang mengangsangkan LSPR di seluruh tumpukan. Penyerapan yang bergantung pada kedalaman ini menjelaskan peluasan progresif dari band lebar barrung seiring dengan penambahan lebih banyak lapisan.

Untuk membandingkan dengan penyerap MDM datar konvensional, kami memproduksi tumpukan datar (FMA) yang terdiri dari lapisan tungsten yang dipisahkan oleh 100 nm SiO₂ (Gambar 7). Absorpsi sangat tergantung pada ketebalan tungsten h_d. Dengan h_d = 10 nm, FMA mencapai >90 % dari 400 hingga 1500 nm; meningkatkan h_d ke 20 nm (sama dengan diameter partikel NPA) mengurangi puncak absorbansi karena refleksi yang ditingkatkan. Namun, FMA menampilkan selektivitas yang baik, dengan <20 % absorpsi di luar 2500 nm—fitur yang menarik untuk aplikasi TPV.

Kedua NPA dan FMA bergantung pada resonansi Fabry–Perot selain LSPR. Untuk FMA, peningkatan ketebalan dielektrik menghasilkan tiga puncak absorpsi yang berbeda, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9, yang menunjukkan mode cavitias urutan lebih tinggi. Perilaku multi-puncak yang serupa muncul dalam NPA tiga pasang MD, sementara tumpukan delapan pasang MD menunjukkan puncak yang digabungkan pada panjang gelombang yang lebih lama, yang mencerminkan pasangan antar lapisan yang lebih kuat.

Dalam NPA, puncak 1000 nm dalam spektrum satu lapisan sesuai dengan resonansi Fabry–Perot, yang dikonfirmasi oleh evolusi spektral dalam Gambar 10.

Untuk memperluas ruang desain, kami mengevaluasi besi sebagai alternatif untuk tungsten. Gambar 11 membandingkan NPA delapan lapis untuk tungsten, besi, emas, dan perak. Besi memberikan >92 % absorbansi di seluruh 400–2500 nm, dengan bandwidth 2,1 µm—secara sedikit unggul dibandingkan tungsten 1,8 µm. Logam mulia hanya mencapai jendela absorpsi yang sempit. Hasil ini sejalan dengan karya sebelumnya yang menunjukkan bahwa impedansi besi cocok lebih dekat dengan ruang bebas dibandingkan logam mulia, yang meningkatkan absorbansi lebar barrung [34].

NPA besi juga menunjukkan pergeseran merah dengan peningkatan ketebalan dielektrik (Gambar 12). Rata-rata absorbansi mencapai 94,88 %, hanya sedikit lebih tinggi dari tungsten 94,09 %. Biaya besi yang lebih rendah dan titik lebur yang lebih tinggi (~1500 °C) menjadikannya pengganti yang menarik. Gambar 13 menunjukkan bahwa tungsten dan besi memiliki indeks refraksi imajiner yang serupa, yang menjelaskan performa optik yang serupa.

Ketahanan NPA dinilai dengan mengubah ukuran dan bentuk partikel (Gambar 14). Di seluruh rentang diameter 10–30 nm, absorbansi tetap >90 % di seluruh band. Beralih ke partikel elipsoida sedikit mengurangi absorpsi di luar 1700 nm saat sumbu besar sejajar dengan medan listrik; sejajaran dengan sumbu kecil menghasilkan penurunan yang lebih mencolok. Oleh karena itu, disarankan untuk mempertahankan sumbu besar sejajar dengan medan insiden selama fabrikasi.

Penyeararan permukaan meningkatkan konstanta redaman nanopartikel tungsten dibandingkan nilai bulk. Menggunakan konstanta redaman yang ditingkatkan dalam simulasi (Gambar 15) menunjukkan bahwa absorpsi panjang gelombang pendek tetap tidak berubah, sementara absorpsi panjang gelombang panjang meningkat karena permittivitas imajiner yang meningkat. Tren ini mengonfirmasi bahwa performa NPA tahan terhadap variasi material yang realistis.

Dalam hal aplikasi, NPA lebar barrung penuh ideal untuk sistem yang tidak memerlukan selektivitas spektral—seperti generasi uap surya, pengolahan air limbah, dan pemanas air. Sebaliknya, NPA dengan lebih sedikit lapisan dan FMA menunjukkan absorbansi yang kuat di bawah 2500 nm tetapi menekan emisi panjang gelombang, menjadikannya cocok untuk pengaturan TPV di mana kerugian termal harus diminimalkan.

Kesimpulan

Kami telah merancang penyerap surya lebar barrung yang sangat efisien berdasarkan tungsten nanopartikel–SiO₂ multilayer. Dengan delapan pasang MD, struktur mencapai >90 % absorbansi di seluruh 400–2500 nm, yang mengalahkan banyak penyerap yang dilaporkan. Performa luar biasa berasal dari tindakan sinergis antara resonansi plasmon permukaan lokal dan mode cavitias Fabry–Perot. Analisis komparatif menunjukkan bahwa nanopartikel besi dapat menggantikan tungsten tanpa mengorbankan efisiensi, menawarkan alternatif hemat biaya untuk aplikasi energi suhu tinggi. Ketahanan penyerap terhadap ukuran, bentuk, dan redaman material lebih menggarisbawahi kelayakan praktisnya.

Singkatan

FDTD

Domain waktu selisih hingga

FMA

Penyerap lapisan logam–dielektrik datar

LSP

Plasmon permukaan lokal

NPA

Penyerap nanopartikel

TPV

Fotovoltaik termo