Studi Numerik Penyerap Surya Efisien yang Terdiri dari Nanopartikel Logam

Hasil dan Diskusi

Untuk NPA satu lapis, kinerja penyerapan digambarkan pada Gambar 2 yang bervariasi dengan ketebalan lapisan dielektrik hh. Pada Gambar. 2, dua rezim yang berbeda diamati, yaitu rezim lapisan dielektrik tipis (hh < 100 nm) dan rezim lapisan dielektrik tebal (hh > 100 nm). Pada rezim lapisan dielektrik tipis, pita penyerap yang baik diperluas dengan peningkatan ketebalan hh. Namun, pada rezim lapisan dielektrik-tebal, ada penurunan penyerap yang muncul pada rentang panjang gelombang yang lebih pendek dan area yang menyerap dengan baik menyusut karena lapisan dielektrik semakin tebal. Kami memilih hh = 100 nm dalam penelitian kami berikutnya karena kinerja penyerapan yang relatif baik pada pita operasi dan juga karena tidak ada penurunan penyerap yang muncul di wilayah yang terlihat.

a , b Performa penyerapan untuk NPA satu lapis yang bervariasi dengan ketebalan dielektrik hh

Ketika hanya ada satu lapisan MD dalam struktur, absorbansi lebih dari 80% dicapai untuk rentang panjang gelombang dari 400 hingga lebih dari 1600 nm, yang telah melebihi banyak penyerap surya yang dilaporkan. Dengan lebih banyak lapisan MD yang diterapkan, kinerja penyerap dari penyerap dapat lebih ditingkatkan. Kami memplot kinerja penyerapan NPA dengan jumlah lapisan MD yang berbeda pada Gambar. 3. Dengan lebih banyak pasangan MD yang diterapkan pada struktur NPA, penyerapan dalam panjang gelombang operasi yang lebih panjang sangat meningkat. Dengan empat lapisan MD yang diterapkan, absorbansi penyerap yang sesuai hampir dapat melebihi 80% untuk rentang panjang gelombang dari 400 hingga 2500 nm di mana sebagian besar spektrum cahaya matahari disertakan. Dengan delapan lapisan MD yang diterapkan pada NPA, absorbansi lebih dari 90% diperoleh di sebagian besar rentang panjang gelombang dari 400 hingga 2500 nm. Dengan 12 pasang MD yang diterapkan pada NPA, penyerapan melebihi 90% di seluruh panjang gelombang operasi.

a , b Penyerapan struktur NPA dengan beberapa lapisan diterapkan. T -layer NPA berarti NPA dengan N Pasangan MD

Untuk mengilustrasikan lebih lanjut hubungan antara kinerja penyerapan penyerap NPA dan jumlah pasangan MD dalam struktur NPA, kami menghitung absorbansi rata-rata penyerap NPA yang bervariasi dengan jumlah pasangan MD yang berbeda. Penyerapan rata-rata dapat dihitung sebagai

dimana λ ₁ dan λ ₂ adalah 2500 dan 400 nm, masing-masing, pada kasus kami. Hubungan antara jumlah lapisan MD dan penyerapan rata-rata digambarkan pada Gambar 4. Dengan bertambahnya pasangan MD, penyerapan rata-rata meningkat dari 68,5% (lapisan MD tunggal) menjadi 95,4% (12 lapisan MD). Ketika jumlah pasangan MD lebih dari 8, pertumbuhan penyerapan rata-rata tampaknya mencapai batas naluriahnya dan akan relatif lambat. Menurut perhitungan, absorbansi rata-rata NPA dengan lebih dari lima lapisan MD mencapai hingga 90% pada rentang panjang gelombang 400 hingga 2500 nm. Penyerap ini melebihi banyak peredam yang dilaporkan sebelumnya dalam efisiensi penyerapan dan bandwidth penyerapan yang sempurna.

Absorbansi rata-rata sebagai fungsi dari jumlah lapisan MD

Seperti yang kami sebutkan sebelumnya, struktur NPA dapat mewujudkan penyerapan yang tinggi bahkan dengan hanya satu pasangan MD. Untuk memahami mekanisme fisik yang bertanggung jawab atas penyerapan tinggi struktur NPA lapisan tunggal, kami memplot distribusi spasial medan listriknya pada Gambar. 5. Gambar 5a adalah distribusi besaran medan listrik dari struktur NPA lapisan tunggal dalam bidang y = 0. Dengan cahaya insiden terpolarisasi sepanjang x arah, medan listrik ditingkatkan dan dibatasi di sekitar nanopartikel. Seperti profil lapangan menunjukkan bahwa penyerapan dapat dianggap berasal dari resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) [25]. Untuk menunjukkannya dengan lebih baik, kami memplot distribusi besaran medan listrik penampang partikel di z = 115 nm bidang (ditandai pada Gambar. 1b) pada Gambar. 5e. Jelas, peningkatan medan listrik muncul di kedua sisi partikel logam sepanjang arah polarisasi cahaya datang. Karena nanopartikel tersusun rapat, LSPR di sekitar partikel yang digabungkan dengan LSPR tetangga bersama-sama menghasilkan penyerapan struktur NPA yang tinggi. Kopling LSPR tetangga mengkonsumsi cahaya dan menghasilkan penyerapan tinggi pada struktur NPA.

Distribusi besaran medan listrik (log₁₀ |E /E ₀ |) NPA lapisan MD tunggal:Distribusi besaran medan listrik dalam y = 0 bidang pada panjang gelombang a 440 nm, b 750 nm, c 1150 nm, dan d 1580 nm; e distribusi besaran medan listrik (|E /E ₀ |)di z = 115 nm bidang pada panjang gelombang 905 nm

Dibandingkan dengan NPA pasangan MD tunggal, kinerja penyerapan sangat meningkat dalam rentang panjang gelombang yang lebih panjang untuk struktur NPA dengan beberapa pasangan MD. Untuk mengilustrasikan fenomena ini, kami memplot distribusi listrik spasial dari struktur NPA delapan-pasangan MD pada Gambar 6. Untuk cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda, distribusi magnitudo medan berbeda. Untuk cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (Gbr. 6a, b), cahaya ini sebagian besar diserap oleh lapisan MD atas. Besaran listrik yang diajukan dan kurungan medan di sekitar nanopartikel di lapisan bawah struktur lemah. Sementara untuk panjang gelombang yang lebih panjang (Gbr. 6c, d), kurungan medan listrik jelas ada di semua lapisan MD dan LSPR muncul dengan kuat di sekitar tidak hanya lapisan partikel atas, tetapi juga lapisan partikel bawah. Ini berarti bahwa untuk struktur NPA multiple-MD-pair, lapisan MD yang lebih rendah tidak berpartisipasi dengan baik dalam menyerap cahaya insiden dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Sebaliknya, cahaya datang dengan panjang gelombang yang lebih panjang dapat diserap dengan baik dan diubah menjadi LSPR di lapisan MD yang lebih rendah. Dengan demikian, menambahkan pasangan MD ke struktur NPA akan sangat meningkatkan kinerja penyerapan struktur NPA untuk cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang, yang sesuai dengan kurva penyerap pada Gambar 3a. Juga, ini menjelaskan alasan mengapa kurva penyerap untuk pasangan MD yang berbeda dalam struktur NPA pada Gambar. 3b tampaknya meningkat dalam rentang panjang gelombang yang lebih panjang tetapi bergabung bersama dalam panjang gelombang yang lebih pendek dengan peningkatan pasangan MD.

Distribusi besaran listrik (log₁₀ |E /E ₀ |) dari struktur NPA delapan-pasangan MD di y = 0 pesawat di a 441 nm, b 638 nm, c 1580 nm, dan d 2500 nm. p1–p8 mewakili delapan partikel dalam satu sel unit dari struktur NPA delapan-pasangan MD

Untuk mendapatkan wawasan yang lebih dalam tentang struktur NPA, kami menghitung kinerja penyerap dari penyerap serupa—FMA (peredam MDM datar, diplot pada Gambar. 7). Spektrum penyerap pada ketebalan lapisan logam yang berbeda hd telah diplot pada Gambar. 8. Ketebalan lapisan SiO₂ ditetapkan sebagai 100 nm, yang sama dengan struktur NPA. Dengan lapisan logam yang lebih tebal, absorbansi struktur FMA berubah menjadi menurun. Absorbansi lebih dari 90% dicapai untuk rentang panjang gelombang dari 400 hingga 1500 nm saat hd = 10 nm. Namun, ketika ketebalan lapisan logam hd ditetapkan sebagai 20 nm, yang sama dengan ketebalan lapisan logam struktur NPA, efisiensi penyerapan FMA turun dengan jelas. Ini dapat dengan mudah dipahami, karena ketika lapisan logam semakin tebal, reflektansi struktur lebih jelas dan akibatnya absorbansi berkurang. Penyerapan selektif FMA lebih baik daripada NPA. Ketika panjang gelombang lebih dari 2500 nm, penyerapannya di bawah 20%. Meskipun ada banyak peredam MDM yang diusulkan untuk menyerap cahaya matahari [26, 27,28,29,30,31,32], kinerja penyerapan FMA kami melebihi banyak peredam MDM lainnya. Efisiensi penyerapan FMA tinggi, dan bandwidth penyerapan cukup luas. Keuntungan lain dari MDM adalah selektivitas menyerap FMA. Ketika panjang gelombang lebih dari 2500 nm, penyerapannya di bawah 20%, yang membuatnya dapat diterapkan dalam sistem energi surya selektif, seperti sistem TPV. Selain itu, ketebalan lapisan logam di FMA adalah 10 nm, yang lebih tebal dari penyerap MDM dalam referensi. [31, 32] dan membuatnya lebih mudah untuk dibuat. Keuntungan ini semua karena penerapan tungsten dalam struktur FMA bukan logam mulia yang biasa digunakan dalam peredam MDM.

Diagram penyerap multilayer logam-dielektrik datar (FMA)

Spektrum serapan FMA delapan-pasangan MD bervariasi dengan ketebalan logam hd. Ketebalan lapisan dielektrik hh disetel sebagai 100 nm

Untuk peredam MDM, kemampuan menyerap cahaya sering didasarkan pada resonansi Fabry-Perot [2, 6, 33]. Saat menambahkan lebih banyak pasangan MD ke struktur, ada puncak penyerap ekstra yang muncul pada spektrum penyerap untuk FMA karena resonansi Fabry-Perot. Untuk menunjukkan ini dengan lebih baik, kami memplot FMA tiga lapis sebagai contoh. Gambar 9 memplot kinerja penyerapan FMA tiga lapis yang bervariasi dengan ketebalan dielektrik hh. Untuk kedua Gambar. 9a dan Gambar. 9b, ada tiga puncak menyerap muncul dalam spektrum, yang dihasilkan dari resonansi Fabry-Perot [2, 6]. Panjang gelombang resonansi resonansi Fabry-Perot meningkat dengan ketebalan rongga [2, 6]. Di sini, pita absorpsi melebar ke rentang panjang gelombang yang lebih panjang dengan peningkatan ketebalan lapisan dielektrik hh, dan pita absorpsi memiliki pergeseran merah pada Gambar. 9.

Menyerap spektrum FMA tiga lapis sebagai a hd = 20 nm dan b hd = 10 nm bervariasi dengan ketebalan dielektrik hh. Lingkaran hitam menandai puncak resonansi

Hal ini juga terjadi pada struktur NPA. Untuk spektrum serapan pada Gambar 2a, puncak serapan yang muncul sekitar 1000 nm seharusnya merupakan hasil dari resonansi Febry-Perot. Ketika ada tiga pasangan MD di NPA, juga akan ada tiga puncak penyerap dalam spektrum penyerap (ditunjukkan pada Gambar 10) sebagai spektrum penyerap FMA tiga lapis pada Gambar 9. Namun, ketika delapan pasangan MD diterapkan pada NPA, puncak penyerap bergabung bersama; hanya ada beberapa puncak penyerap yang dapat diamati pada panjang gelombang yang lebih panjang. Saat meningkatkan ketebalan lapisan dielektrik pada Gambar 10, spektrum penyerap bergeser merah. Karena kesamaan spektrum penyerap FMA dan NPA tiga lapis, kami dapat menyimpulkan bahwa kinerja penyerap NPA yang sangat baik juga harus dihasilkan dari resonansi Fabry-Perot. Oleh karena itu, ada resonansi LSPR dan Fabry-Perot di NPA. Performa penyerapan yang sangat baik seharusnya merupakan hasil dari adanya resonansi LSPR dan Fabry-Perot.

Spektrum penyerap bervariasi dengan ketebalan lapisan silika hh di a struktur NPA tiga lapis dan b struktur NPA delapan lapis

Logam yang kami pilih untuk penyerap ini adalah tungsten. Dalam pekerjaan kami sebelumnya [34], kami telah menunjukkan bahwa besi dapat menjadi kandidat yang sangat baik untuk diterapkan dalam peredam cahaya matahari. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 11, kami membandingkan kinerja penyerapan struktur nanopartikel tungsten dengan kinerja penyerap yang terdiri dari nanopartikel logam lain di bawah struktur yang sama. Efisiensi penyerapan lebih dari 92% untuk rentang panjang gelombang dari 400 hingga 2500 nm dicapai untuk penyerap besi. Bandwidth penyerap besi yang baik (sekitar 2,1 m) melebihi bandwidth penyerap tungsten (sekitar 1,8 m). Efisiensi penyerapan penyerap emas dan penyerap perak hanya mencapai 90% dalam rentang panjang gelombang yang sempit. Performa penyerapannya jauh lebih buruk daripada tungsten dan peredam besi di bawah struktur ini. Hasil ini sesuai dengan pekerjaan kami sebelumnya [34], yang juga menunjukkan bahwa penyerap besi sering kali memiliki kinerja penyerapan yang lebih baik daripada logam mulia karena kondisi pencocokan yang baik antara impendensi penyerap besi dan impendensi ruang bebas. Logam mulia terkenal karena kinerja penyerapan cahaya tampak yang sangat baik di bidang penyerapan cahaya matahari. Namun, mereka biasanya tidak digunakan dalam sistem TPV sebagai penyerap atau emitor, karena mereka tidak dapat menyerap dengan baik cahaya di luar jangkauan cahaya tampak. Selain itu, titik lelehnya relatif rendah (sekitar 1000 °C), yang sangat menghambat penerapannya dalam sistem energi surya.

Penyerapan struktur NPA delapan lapis dengan logam berbeda yang diterapkan

Seperti struktur NPA tungsten, spektrum penyerap dari struktur NPA besi juga memiliki pergeseran merah dengan meningkatnya ketebalan lapisan silika hh (diplot pada Gambar. 12). Efisiensi penyerap hampir melebihi 90% untuk seluruh pita gelombang yang beroperasi selain dari penurunan penyerap pada rentang panjang gelombang 100 nm yang muncul saat ketebalan lapisan hh lebih dari 100 nm. Dibandingkan dengan Gambar 7, kinerja penyerapan keseluruhan struktur NPA besi melebihi struktur NPA tungsten. Rata-rata penyerapan nanopartikel besi (94,88%) dan nanopartikel tungsten (94,09%) melebihi nanopartikel emas (64%) dan perak (28,4%). Kinerja penyerapan yang sangat baik menjadikan besi sebagai bahan alternatif yang menjanjikan untuk tungsten dalam sistem energi surya. Selain itu, besi lebih hemat biaya daripada tungsten. Titik lelehnya sekitar 1500 °C dan lebih tinggi dari logam mulia. Untuk tungsten, stabilitas kimia adalah salah satu sifat penting dalam tata surya. Paduan besi dan tungsten mungkin memiliki keunggulan dari kedua logam tersebut. Kami selanjutnya membandingkan indeks reflektif mereka pada Gambar 13. Data emas dan perak diadopsi dari referensi [35]. Ini menunjukkan bahwa sifat optik tungsten dan besi sangat mirip terutama untuk bagian imajiner dari indeks reflektifnya, yang menghasilkan kinerja penyerapan yang serupa dalam struktur NPA.

Spektrum serapan bervariasi dengan ketebalan lapisan hh dalam struktur Fe-NPA delapan lapis

Membandingkan a bagian nyata dari indeks bias dan b bagian imajiner dari indeks bias logam yang umum digunakan

Untuk struktur NPA, pembuatan partikel kecil yang seragam seperti itu mungkin sulit. Oleh karena itu, ketahanan sumur diperlukan untuk struktur yang diusulkan. Kami menghitung kinerja penyerapan struktur yang terdiri dari berbagai bentuk dan ukuran pada Gambar 14a, b. Untuk ukuran nanopartikel yang berbeda, penyerapan struktur tetap lebih dari 90% di hampir panjang gelombang operasi. Ketika kita mengubah nanopartikel sferis menjadi nanopartikel ellipsoid dalam struktur NPA, penyerapannya menurun (ditunjukkan pada Gambar 4b). Untuk kondisi E1 dan E2 di mana medan listrik berada di sepanjang sumbu utama partikel ellipsoid, penyerapan turun terutama pada rentang panjang gelombang lebih dari 1700 nm dan penyerapan pada panjang gelombang yang lebih pendek di mana sebagian besar energi matahari didistribusikan hampir tetap sama. . Penyerapan rata-rata dalam dua kasus ini lebih dari 90%. Ketika medan listrik berada di sepanjang sumbu minor partikel ellipsoid, penyerapan berubah secara dramatis. Oleh karena itu, arah sumbu utama nanopartikel berbentuk ellipsoid harus dijaga agar sesuai dengan arah medan listrik saat fabrikasi.

a Spektrum serapan struktur NPA bervariasi dengan ukuran nanopartikel. b Menyerap spektrum struktur NPA untuk nanopartikel dengan bentuk yang berbeda. S bola, E elips, a semidiameter sumbu utama ellipsoid, b adalah setengah diameter sumbu minor ellipsoid. Untuk E1 dan E2, medan listrik sepanjang arah sumbu utama. Untuk E3, medan listrik sepanjang arah sumbu minor

Selain itu, konstanta redaman nanopartikel tungsten seringkali lebih besar daripada tungsten curah karena hamburan permukaan dan efek batas butir. Menurut data dalam referensi [36], kami menghitung ulang penyerapan struktur menggunakan konstanta redaman tungsten yang meningkat. Hasilnya diplot pada Gambar 15. Ketika konstanta redaman tungsten meningkat, penyerapan pada panjang gelombang yang lebih pendek (dari 400 hingga 1700 nm) tetap hampir tidak berubah, sedangkan penyerapan pada panjang gelombang yang lebih panjang (dari 1700 hingga 2500 nm) meningkat. Hal ini dapat dikaitkan dengan bahwa ketika konstanta redaman tungsten di wilayah inframerah meningkat, bagian imajiner dari permitivitas di wilayah inframerah akan meningkat [36] dan mengakibatkan peningkatan penyerapan. Perubahan permitivitas tungsten lebih jelas pada panjang gelombang yang lebih panjang daripada panjang gelombang yang lebih pendek. Oleh karena itu, penyerapan yang dihitung dengan peningkatan konstanta redaman pada panjang gelombang yang lebih panjang berubah sedikit sementara pada panjang gelombang yang lebih pendek hampir tidak berubah.

Penyerapan menggunakan konstanta redaman tungsten yang berbeda

Sejauh ini, kita telah membahas struktur NPA dan struktur FMA serta kinerja penyerapan dan mekanisme penyerapannya serta logam yang dapat diterapkan di dalamnya untuk mencapai penyerapan yang tinggi. Namun, aplikasi peredam ini mungkin berbeda. Dalam sistem TPV, karakteristik penyerap yang selektif sumur seringkali diperlukan untuk mengurangi emisi termal dari penyerap surya. Jadi, struktur NPA multilayer yang kinerja penyerapannya diplot pada Gambar. 3b tidak cocok untuk digunakan dalam sistem TPV karena emisi termal yang tinggi di atas 2500 nm. Namun, struktur NPA dengan beberapa lapisan MD (spektrum penyerap yang diplot pada Gambar. 3a) dan struktur FMA (spektrum penyerap yang diplot pada Gambar 9) dapat digunakan dalam sistem TPV karena emisi termal yang rendah di atas 2500 nm. Untuk struktur NPA multilayer, mereka dapat berguna dalam sistem energi surya lain di mana kinerja penyerapan selektif yang baik tidak diperlukan, seperti pembangkit uap surya [37], sistem pengolahan air limbah, dan sistem pemanas air.