Desain Split Hexagonal Patch Array Berbentuk Nano-metaabsorber dengan Penyerapan Pita Lebar Ultra untuk Aplikasi Spektrum Terlihat dan UV
Abstrak
Energi matahari adalah salah satu sumber ambien di mana energi dapat diperoleh dengan mudah tanpa polusi. Pemulungan niat oleh sel surya untuk mengumpulkan energi membutuhkan teknik canggih untuk mempercepat penyerapan energi ke aliran elektron untuk menghasilkan lebih banyak listrik. Struktur sel surya telah diteliti untuk meningkatkan efisiensi penyerapan, meskipun kebanyakan dari mereka hanya dapat menyerap secara efisien dengan toleransi sudut sempit dan sensitivitas polarisasi. Jadi, ada permintaan yang kuat untuk penyerapan broadband dengan penyerap sensitivitas polarisasi minimal, yang diperlukan untuk pemanenan energi matahari yang efektif. Dalam makalah ini, kami mengusulkan penyerap metamaterial bentuk Split Hexagonal Patch Array (SHPA) baru dengan karakteristik Double-negatif (DNG), yang akan memberikan pita serapan lebar dengan sensitivitas polarisasi rendah untuk pemanenan energi spektrum matahari. Bentuk SHPA baru yang diusulkan terdiri dari enam lengan nano dengan belahan vertikal tunggal dengan simetri kepala panah. Lengan ini akan mengarahkan resonansi elektromagnetik (EM) untuk memperoleh permitivitas dan permeabilitas negatif absolut, memastikan properti DNG. Fitur metamaterial DNG ini dianalisis berdasarkan metode kuantum fotokonversi untuk penyerapan foton maksimum. Karakteristik simetris dari struktur yang diusulkan memungkinkan penyerap menunjukkan ketidakpekaan polarisasi dan kemampuan penyerapan sudut datang yang lebar. SHPA yang disimulasikan menunjukkan kapasitas penyerapan gelombang elektromagnetik spektrum tampak dan ultraviolet (UV) lebih dari 95%. Metode kuantum memberikan keuntungan dalam efisiensi konversi penyerap, dan analisis numerik dari struktur SHPA yang diusulkan memberikan kualitas absorbansi untuk pemanenan energi rezim THz melalui sel surya atau aplikasi fotonik.
Pengantar
Rekayasa material telah berkontribusi pada sejarah perkembangan manusia sejak zaman kuno, dan 'metamaterial' akan segera menjadi salah satu terobosan kemudi penting. 'Meta', yang menunjukkan perubahan dalam genre material, menunjukkan karakteristik dielektrik yang unik seperti permitivitas dan permeabilitas negatif, mudah dibuat [1]. Potensi aplikasi yang berbeda [2, 3] dalam metamaterial membuat beberapa peneliti di seluruh dunia semakin penasaran untuk melakukan benchmark inovasi di bidang penelitiannya masing-masing. Konversi energi fotonik dari rentang frekuensi tampak dan menggabungkannya dalam pemanenan energi, khususnya penelitian energi berbasis sel surya, adalah salah satu bidang yang menjanjikan dalam penyerap metamaterial [4,5,6]. Spektrum yang terlihat atau gelombang cahaya rentang UV selalu mengelilingi kita tanpa masalah yang parah dan jumlah energi yang melimpah. Di antara semua teknik pemanfaatan yang mapan, teknologi fotovoltaik (PV) diterapkan secara luas untuk aplikasi lapangan, dan dalam beberapa tahun terakhir, metode canggih telah diusulkan untuk meningkatkan kinerja guna menyeimbangkan tantangan energi hijau di masa depan. . Misalnya, sel tunggal, multi-kristal, dan polikristalin untuk peningkatan efisiensi, pengembangan PV menggunakan perovskit halida logam, PV organik dan kuantum dot untuk peningkatan efisiensi konversi daya, kualitas optoelektronik dari bahan relevan PV yang memengaruhi output daya [7] dan sebagainya pada. Selanjutnya, metode fabrikasi material seperti deposisi berurutan dari lapisan perovskit PV berkualitas tinggi [8], perovskit PV yang dilapisi dan dicetak [9], daur ulang foton [10] atau algoritma berdasarkan analogi centroid pada titik daya maksimum [11], dll. berfokus untuk meningkatkan efisiensi sel surya.
Selain itu, bidang potensial pemanenan energi matahari menggunakan kombinasi antena dan penyearah (dioda) yang dikenal sebagai 'rectenna' juga telah dieksplorasi untuk meningkatkan efisiensi sel PV yang khas. Rectennas telah dipelajari terutama untuk transmisi daya berbasis gelombang mikro karena sangat efisien dalam mengubah energi gelombang mikro menjadi listrik. Misalnya, prototipe yang dipatenkan [12] menggunakan nanoteknologi yang berfokus pada konversi cahaya menjadi listrik dengan efisiensi yang ditingkatkan dan saat ini kompatibel dengan sel surya tradisional. Prosedur eksperimental menunjukkan bahwa rectenna yang ditempatkan di bawah modul PV memberikan output 380 hingga 480 W/m
2
dengan modul gabungan meningkat dari 10-20% menjadi 38-40%. Karena kendala teknik nanofabrication, sebagian besar prototipe beroperasi dalam rentang inframerah-jauh daripada spektrum yang terlihat. Diharapkan bahwa pengembangan nanoteknologi dapat lebih mempercepat pendekatan ini. Dengan demikian, artikel terbaru mengadopsi strategi beragam untuk memanen energi matahari, seperti hibridisasi energi RF-solar oleh antena transparan multiport [13] mencapai efisiensi 72,4% dengan efisiensi konversi RF-ke-DC 53,2%. Evolutive dipole nanoantenna (EDN) [14] dibuat dengan e-beam lithography yang didedikasikan untuk optimasi efisiensi pemanenan dimana efisiensi meningkat dari 30% menjadi 40% dibandingkan dengan classic dipole nanoantenna (CDN). Metal-insulator-metal (MIM) terintegrasi dengan SiO2 terowongan [15] menunjukkan efisiensi konversi lebih dari 90%, Zhang dan Yi [16] mengusulkan pendekatan serupa menggunakan nano-rectenna berbentuk dasi kupu-kupu mengklaim efisiensi konversi 73,38%. Demikian juga, rectenna yang terinspirasi metamaterial dengan resonator 'Fabry-Perot (FP)' berbasis dioda Schottky yang tertanam [17] menunjukkan faktor Q tinggi dan peningkatan kinerja 16 kali, rectenna optik yang terinspirasi oleh metamaterial dan dikembangkan oleh model semi-klasik menyatakan efisiensi tinggi, sel surya murah [18]. Tidak hanya itu, beberapa variasi karakteristik metamaterial dieksplorasi seperti metamaterial switchable dengan bifungsionalitas penyerapan [19], metasurface tipis berbasis vanadium dioksida, metasurface yang terinspirasi germanium untuk penginderaan merdu [20]. Terlepas dari gagasan pemanenan energi konvensional, sebagian besar penyerap atau antena metamaterial dikembangkan untuk pemanenan energi RF daripada spektrum yang terlihat. Pemanenan energi dalam artikel ini [21, 22] tidak dapat berkontribusi pada sel surya.
Penelitian terbaru dalam rentang THz rectenna atau penyerap metamaterial yang terinspirasi nano-rectenna masih dalam percobaan atau analisis laboratorium karena beberapa kendala seperti pencocokan impedansi, integrasi antara sel satuan dan sel PV, pemberian energi yang dikonversi dari sel satuan ke unit PV, efisiensi konversi foton , kerugian transportasi, dll. Selain itu, sel PV cenderung menurunkan kinerja dengan parameter lingkungan dan pita serapan yang sempit dalam spektrum yang terlihat. Namun demikian, antena atau penyerap nano sedang dieksplorasi dengan mengadopsi desain dan teknik fabrikasi canggih seperti penyerap plasmonik struktur omnidirectional [23] dengan efisiensi panen sekitar 38%, kolektor elektromagnetik nantenna substrat fleksibel (NEC) [24] menunjukkan penyerapan 90% dengan mengatasi optik perilaku bahan dan kendala fabrikasi. Sifat optik dan listrik yang unik dari struktur nano [25,26,27,28,29] mengungkapkan berbagai persentase penyerapan dengan karakteristik material yang dinamis. Meskipun sebagian besar struktur canggih yang dilaporkan belum menantang untuk diterapkan dalam pemulungan energi surya beberapa penyerap metamaterial digunakan untuk aplikasi yang dimaksudkan secara eksperimental [30, 31]. Dengan antena yang mengubah gelombang EM yang datang menjadi sinyal AC, dioda dapat memperbaikinya menjadi tegangan DC yang dapat digunakan. Lebih dari 90% efisiensi konversi dapat diperoleh dalam frekuensi radio. Namun, sangat sulit untuk memperluas rectenna ke rezim optik karena proses yang rumit dan respons yang terlalu lambat dari penyearah berbasis dioda. Sebuah karya yang jarang diperhatikan pada konversi fotolistrik langsung tanpa dioda, yang dikenal sebagai efek Hall dinamis (DHE), dilaporkan oleh H. Barlow pada tahun 1954. Diusulkan untuk menghasilkan tegangan DC melalui aksi bersama medan listrik dan magnet dinamis dari bidang miring. radiasi insiden. Efek ini secara teoritis ditunjukkan oleh semua bahan konduktor dan berlaku untuk seluruh spektrum EM dari gelombang mikro hingga frekuensi tampak dengan respon cepat [32]. Dengan demikian, bidang potensial peningkatan efisiensi sistem pemanenan energi surya menggunakan metamaterial belum mengeksplorasi, menganalisis, dan menerapkan kembali semua teknik yang tersedia untuk mempercepat efisiensi sel surya pada tingkat aplikasi.
Dalam makalah ini, kami mengajukan penyerap metamaterial SHPA pada material tri-nanolayer dengan karakteristik DNG yang disimulasikan baik pada rezim sinar tampak dan UV untuk pemanenan energi matahari. Metode analisis FDTD (finite-difference time-domain) diikuti dengan pembentukan struktur, analisis, dan CST Microwave Studio (MWS) 2017 yang tersedia secara komersial digunakan untuk simulasi. Oleh karena itu, kondisi batas standar yang diterapkan untuk analisis perambatan gelombang serta polarisasi bidang TE, TM juga dimodelkan untuk penyerapan sudut lebar. Untuk penyerap metamaterial rentang nano struktur yang dioptimalkan, algoritma genetika (GA) telah berhasil diterapkan dalam banyak desain yang berbeda untuk mendapatkan hasil yang positif [33, 34]. Oleh karena itu, penyerap yang diusulkan mengadopsi algoritma serupa [33] untuk menemukan karakteristik bahan indeks negatif (NIM). Gambar 1c mengilustrasikan domain desain sel unit yang dioptimalkan GA di mana nano membagi bentuk Hexa dan membagi kisi 10 × 7. Di dalam kisi, kisi 3 × 3 yang dibagi lagi menggambarkan bentuk heksagonal. Mekanisme sebenarnya adalah interpolasi data untuk mendapatkan peningkatan penyerapan berbagai dimensi geometris sambil mempertahankan bentuk struktur nano. Tujuan dari GA ini adalah untuk mengekstrak metamaterial SHPA untuk frekuensi yang terlihat dengan karakteristik NIM semaksimal mungkin. Parameter hamburan dievaluasi selama simulasi dilanjutkan ke program MATLAB untuk mengekstrak karakterisasi dan analisis properti yang relevan. Penyelidikan numerik menunjukkan penyerapan lebih dari 95% di kedua rezim frekuensi dengan karakteristik metamaterial kidal yang signifikan. Dengan demikian, SHPA yang diusulkan dengan validasi fabrikasi lebih lanjut dapat membuktikan bidang aplikasi potensialnya seperti pemanenan energi matahari, proses akumulasi foton untuk sel surya, atau amplifikasi fotonik.
SHPA nano-metaabsorber. a Dimensi fisik. b Simulasi diatur. c Ilustrasi pengkodean yang dioptimalkan GA
Desain dan Metodologi Komputasi
Penyerap metamaterial SHPA dimodelkan sebagai substrat lapisan ganda, Gallium arsenide (GaAs), dan Nikel (optik), dan lapisan patch dirancang pada Emas (Au). GaAs setebal 80 nm dengan permitivitas lossy 12,94 dan Ni setebal 100 nm (Gbr. 1a). Tabel 1 menunjukkan dimensi detail dari struktur sel satuan. Ketebalan patch SHPA adalah 90 nm, dan film Au diabaikan untuk medan magnet lokal, konduktivitas isotropik 4,1 × 10
7
S/m [35]. Menurut 'tensor konduktivitas Drude anisotropik' [36], hanya komponen Z dari medan magnet lokal yang dipertimbangkan. Karena komponen ortogonal dari dua sumbu lainnya jauh lebih lemah daripada komponen Z. Selama simulasi kondisi batas periodik dalam arah X dan Y menerapkan PEC (konduktor listrik sempurna) dan PMC (konduktor magnetik sempurna) masing-masing pada lapisan atas dan bawah (Gbr. 1b). Konduktivitas anisotropik pada sel satuan dipastikan dengan memasukkan medan magnet lokal. Parameter S SHPA disimulasikan, mulai dari 430 THz hingga 1000 THz dengan ukuran langkah 100 THz. Rentang refleksi (R), transmisi (T), dan absorpsi (A) diperoleh dari A =1-T-R dimana |S11 |
2
=R dan |S21 |
2
=T. Bidang-gelombang medan listrik yang didefinisikan olehE = Ex Karena(ωt + kz ) merambat menuju sumbu Z di mana Ex adalah amplitudo medan listrik, adalah frekuensi sudut, t adalah waktu, dan k adalah bilangan gelombang.
Pengembangan struktur geometris untuk metamaterial yang disarankan oleh Pendry [37] dapat diterapkan secara luas untuk rentang gelombang mikro tetapi rezim THz, yaitu frekuensi tampak dan optik menunjukkan kelemahan utama dalam permeabilitas negatif dan substrat multilayer propagasi paralel. Jadi, pendekatan desain alternatif [38] logam-dielektrik-logam menggambarkan respons yang baik sebagai dipol magnet resonansi untuk propagasi normal ke struktur yang menunjukkan permeabilitas negatif dan struktur lapisan yang disederhanakan relatif mudah dibuat dalam skala nano. Selain itu, merancang penyerap metamaterial dengan sifat DNG secara tiga dimensi memerlukan beberapa karakteristik pada struktur seperti propagasi mundur, efek Doppler terbalik, amplifikasi gelombang evanescent, dll. Meskipun analisis teoritis dan kemampuan mengenai spektrum frekuensi tampak telah dijelaskan oleh para ahli [39] ,40,41]. Dengan demikian, MA berbasis karakteristik DNG struktur nano film tipis berkaitan dengan ε . negatif dan μ dan umumnya digunakan sebagai susunan logam tipis periodik. Array tambalan logam tipis mengencerkan plasma elektron bebas yang dijelaskan oleh model 'Drude' tetapi karena kami telah menganggap lapisan atas sebagai lossy karenanya
dimana ωp frekuensi plasma berkurang tergantung pada dimensi geometris lapisan tipis, ωm adalah frekuensi resonansi magnetik, γm kerugian, Mm menentukan kekuatan resonansi magnetik.
Hasil, Analisis, dan Diskusi
Unit Daya Sel dan Sifat Dielektrik
Menurut metode foto-kuantum, sejumlah daya tertentu diperlukan pada kondisi batas sel satuan, terutama dalam arah propagasi, sudut polarisasi, aliran arus medan-E dan medan-H, dll. Jadi, mari kita menganalisis daya yang diperlukan untuk merambat dalam arah multi-kristal [42]. Persamaan (2) dan (3) didasarkan pada teorema vektor Poynting kompleks yang terinspirasi oleh [42, 43]. Faktanya adalah daya yang diterima oleh sel satuan adalah sinar matahari, yang bersifat omnidirectional, dan aliran daya menggunakan absorber harus searah untuk meningkatkan efisiensi. Dengan demikian, kekuatan gelombang yang merambat hanya sebanding dengan bagian nyata dari vektor yang terkait dengan parameter rata-rata waktu. Daya yang distimulasi pada satu atau kedua port akan merambat melalui sel satuan. Sisa energi akan keluar melalui semua port (daya keluar). Daya yang diterima dalam sel satuan diubah menjadi kerugian seperti sifat bahan dielektrik, tambalan, atau elemen gabungan yang dipertimbangkan untuk lengan nano SHPA. Mempertimbangkan bagian nyata dari kekuatan rata-rata kompleks di Z -arah
Yang juga berlaku untuk (Z-ve arah) untuk menggambarkan aliran energi bersih pada port tertentu. Faktor dalam Persamaan. (2) terkait dengan rata-rata waktu bidang searah jarum jam. Bagian imajiner dari daya dapat diabaikan karena energi reaktif atau tersimpan yang tidak merambat dan dapat menghitung daya yang ditransmisikan (PT ) mengamati kekuatan waktu rata-rata di sepanjang X dan Y sumbu masing-masing-
Demikian pula, daya yang diterima dan daya keluar dihitung menggunakan persamaan pada [43] dan diplot pada Gambar. 2 di mana daya terkait (Gambar 2a) dan daya melalui sel unit (Gambar 2b) nano-metaabsorber diamati selama simulasi. Daya rangsang dibatasi hingga 0,5 watt di seluruh spektrum, sedangkan daya yang diterima dan daya keluar di kedua port memiliki distribusi daya sebaliknya. Namun, aliran daya 3D menunjukkan karakteristik yang tidak biasa karena momen inersia dipol dengan rentang frekuensi operasi dan keadaan penetrasi material yang tidak homogen. Mulai dari 430 THz, sebagian besar momen dipol tidak diatur karena operasi THz pada tahap awal memiliki efek polarisasi dan terus memiliki efek dipol yang tepat setelah 715 THz, yang berlanjut hingga 1000 THz. Selain itu, properti semikonduktor material GaAs, serta karakteristik feromagnetik Ni, bertanggung jawab untuk menghalangi
Distribusi daya dalam metaabsorber SHPA (a ) distribusi 2D (b ) Aliran daya 3D melalui sel satuan
aliran listrik tapi untungnya tidak begitu mendominasi. Sifat dielektrik (ε , μ , η ) diekstraksi dari S-parameter untuk penyelidikan numerik untuk menilai sifat metamaterial. Penyerap sel unit dengan tiga bahan berbeda memiliki karakteristik terisolasi dalam perambatan gelombang EM, tetapi dimensi struktural unik ini dengan kapasitansi dan induktansi berjenjang di atas patch memodifikasi sifat konvensional fitur dielektrik material individu dan menggambarkan sifat unik. Sekarang, mengekstraksi sifat dielektrik metode DRI [44] digunakan di mana koefisien transmisi (S21 ) dan koefisien refleksi (S11 ) adalah parameter kritis.
Gambar 3 menunjukkan semua hasil simulasi nano-metaabsorber SHPA yang diusulkan. Gambar 3a,b besarnya S11 dan S21 memiliki magnitudo yang hampir konsisten baik di bagian real maupun imajiner. Meskipun respon jangkauan inframerah memiliki tiga titik resonansi kecil berturut-turut karena efek struktur kedalaman kulit (δ), untungnya, ia memainkan peran positif dalam mendapatkan permitivitas negatif, permeabilitas, dan indeks bias. Gambar 3c,d,e masing-masing menunjukkan nilai nyata dan imajiner dari sifat-sifat ini dan memastikan keberadaan metamaterial pada SHPA yang diusulkan. Selanjutnya, medan cepat berlalu dr ingatan elektromagnetik termal yang intens [45] perlu dipertimbangkan karena perspektif aplikasi pemanenan energi matahari. Secara eksperimental disebutkan dalam [45, 46] bahwa, selama radiasi medan dekat, konduksi panas dua material berturut-turut meningkat secara bertahap. Selain itu, polariton permukaan juga mendominasi gelombang cepat berlalu dr ingatan dan menurut 'model Drude', permitivitas dan permeabilitas kompleks ditentukan oleh polarisasi gelombang di dalam sel satuan. Gambar 3 c,d,e menyajikan sifat dielektrik di mana operasi panjang gelombang yang lebih rendah dari permitivitas dan permeabilitas dipengaruhi oleh gelombang cepat berlalu dr ingatan ini. Oleh karena itu, karakteristik negatif dari sel satuan yang diusulkan terlihat secara signifikan dan memastikan penyerapan EM yang baik. Karakteristik saluran transmisi dan VSWR (voltage standing wave ratio) nano-absorber SHPA pada Gambar 4 dengan jelas menunjukkan jumlah pantulan
karakteristik metamaterial SHPA. a S11 Tanggapan. b S21 Tanggapan. c Permitivitas. d Permeabilitas. e Indeks bias pada spektrum tampak dan inframerah
Bagan Smith menunjukkan VSWR sel satuan SHPA di atas spektrum pada impedansi yang dinormalisasi
dan kinerja saluran transmisi. VSWR pada impedansi 430 THz tinggi, dan setengah panjang gelombang saluran tidak memiliki kecocokan yang baik dari sisi sumber ke sisi beban. Oleh karena itu, jumlah penyerapan sinyal EM juga rendah pada frekuensi yang lebih rendah, tetapi secara bertahap, impedansi mencoba untuk mencocokkan (dengan yang dinormalisasi) sebanyak mungkin yang dihasilkan dengan penyerapan di atas 90% pada spektrum inframerah (1000 THz). Karena sel satuan mewakili elemen penyerap daripada elemen pemancar; karenanya, VSWR-nya di sisi beban tidak memiliki nilai yang lebih tinggi.
Analisis Efek Lapangan
Sifat EM cahaya adalah gelombang elektromagnetik transversal pada daerah tampak. Cahaya yang berasal dari matahari dibagi menjadi tiga spektrum:inframerah, tampak, dan ultraviolet (UV). Distribusi energi spektral cahaya matahari memiliki intensitas maksimum 1,5 eV pada rentang tampak mirip dengan kebanyakan bahan semikonduktor sementara dua spektrum lainnya menghasilkan panas jika diserap. Jadi, dengan mempertimbangkan propagasi EM cahaya tampak dan kondisi batas yang dinyatakan pada Gambar 1b, kinerja numerik medan listrik (medan E) dan medan magnet (medan H) ditunjukkan pada Gambar 4. Meskipun frekuensi resonansi karakteristik 445 THz ada di angka tetapi seluruh bandwidth 430~650 THz memiliki distribusi medan yang serupa. Sekarang, persamaan gelombang vektor seperti yang disebutkan pada [47]
di mana operator diferensial vektor satu dimensi∇bervariasi sedikit dengan variasi fasa selama perambatan gelombang EM, komponen medan listrik, dan magnetEm dan Hm berturut-turut, konstanta propagasi \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \) adalah besaran kompleks yang berhubungan dengan redaman dan deviasi fase gelombang. Karena gelombang cahaya tampak memiliki sifat gelombang dan partikel, perambatan gelombang melalui bahan sel satuan menunjukkan variasi dalam hal karakteristik medan-E dan medan-H. Selanjutnya, γ memiliki hubungan non-linier dengan sifat dielektrik karena frekuensi operasi meningkat secara bertahap. Gambar 5 menunjukkan setiap pemisahan nano pada komponen E-field signifikan SHPA (2,31 × 10
6
V/m dalam skala log) ada pada resonansi 550 THz. Meskipun di atas wilayah frekuensi yang disimulasikan (terlihat dan UV), medan-E yang kuat ini diamati dengan sedikit variasi dalam amplitudo. Patch bar horizontal dan vertikal (dengan empat split) juga memberikan kontribusi komponen medan dengan variasi amplitudo (2,08 × 10
5
~2,31 × 10
6
skala log V/m). Selama analisis transien sel unit SHPA (kaskade dua tahap) diberikan nilai kapasitansi dan induktansi 1,37 × 10
−17
nF dan 3,87 × 10
−14
nH mempercepat operasi medan frekuensi resonansi. Bidang-H (Gbr. 5b) memiliki efek yang sama dari propagasi EM sepanjang arah-Z, dan selama penetrasi medium yang tidak homogen, Persamaan. (5) menjadi fungsi Z dan di mana permeabilitas magnetik konstan. Kemudian persamaan gelombang yang sesuai direduksi menjadi “persamaan diferensial Ricatti” [48]
Efek medan pada SHPA pada resonansi 550 THz. a E-bidang. b Bidang-H
dimana k adalah bilangan gelombang, dan m(z) adalah indeks bias kompleks. Selanjutnya, fase retardasi gelombang meningkat dengan rasio kecepatan fase di ruang bebas dan medium, yang merupakan kontribusi signifikan lainnya dari SHPA sel unit yang diusulkan untuk reflektansi yang lebih rendah dan menyerap lebih banyak energi dari gelombang.
Polarisasi gelombang cahaya dipelajari pada sel unit yang diusulkan SHPA untuk menjelaskan kelayakan sel unit untuk pemanenan energi matahari karena gelombang terpolarisasi melalui permukaan kehilangan energinya selama propagasi. Formulasi Hamiltonian [49] menyebutkan bahwa elemen matriks transisi dipol bervariasi untuk polarisasi TE dan TM dalam sudut datang yang berbeda dari gelombang pada material GaAs. Sudut polarisasi baik untuk mode TE dan TM meningkatkan ukuran langkah sebesar 40 ° (Gbr. 6), dan sudut polarisasi medan listrik memiliki efek yang sangat mendominasi dibandingkan dengan orientasi medan magnet. Selama mode TE, pada kisaran yang lebih rendah, sekitar 430–650 THz (690 nm hingga 460 nm) [50], untuk perbedaan tertentu dari kombinasi substrat Ni-GaAs, perbedaan antara lapisan inti dan kelongsong membuat indeks bias yang bervariasi yang meningkat ketika panjang gelombang tampak mendekati celah pita. Oleh karena itu, fluktuasi jumlah penyerapan diamati pada spektrum tersebut (Gbr. 6a), sedangkan polarisasi TM menunjukkan fluktuasi jenis yang sama meskipun sudut polarisasi berubah dari 0 ° menjadi 120 °. Pada mode TM, ketidakcocokan fase umumnya menjadi besar untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Selain itu, bentuk heksagonal memiliki pengaruh yang signifikan terhadap penyerapan selama variasi celah perpecahan dan ketinggian patch. Kapasitansi yang dibentuk oleh celah celah patch bervariasi sedangkan kapasitansi yang berdekatan dengan posisi patch berdiri. Gambar 6c celah celah berubah dari 5 nm menjadi 25 nm dan menurunkan celah celah memberikan penyerapan yang sangat baik karena kapasitansi yang substansial. Meskipun ada perubahan celah, penyerapan hampir tetap di atas 90% untuk 5 nm, dan peningkatan bertahap celah perpecahan membuat penurunan penyerapan awal sekitar 430-500 THz tetapi penyerapan 95% secara keseluruhan diamati selama simulasi. Dalam hal tinggi SHPA (Gbr. 6d), karena pemecahan tambalan tetap 10 nm, area perambatan sinyal EM secara kolektif meningkat baik untuk kejadian normal dan miring dan karenanya ketinggian perpecahan dioptimalkan dengan nilai yang lebih tinggi dengan penyerapan. Untuk tinggi atau ketebalan SHPA 60 nm hingga 90 nm rata-rata penyerapan 85% hingga 88%, yang secara langsung menyatakan dioptimalkan untuk 90 nm.
Efek polarisasi pada penyerapan. a polarisasi TE. b Polarisasi TM dan efek struktur SHPA. c Split gap vs penyerapan. d Tinggi vs. penyerapan
Namun, prototipe fabrikasi dan hasil pengukuran SHPA akan mendukung data simulasi, yang akan dilakukan pada fase penelitian selanjutnya. Selain itu, gambaran perbandingan dijelaskan pada Tabel 2 untuk memahami kontribusi nano-metaabsorber yang diusulkan. Pada Tabel 2, artikel yang dilaporkan [51] menunjukkan efisiensi yang baik, tetapi frekuensi operasi dan kinerja narrowband membuatnya tidak dapat memenuhi operasi frekuensi yang terlihat. Artikel lain [52, 53] mengklaim untuk aplikasi pemanenan energi surya, tetapi bandwidth dan jangkauan operasi membuatnya lebih rentan dibandingkan dengan yang lain.
Kesimpulan
Dalam makalah ini, penyerap metamaterial heksagonal split diusulkan menggunakan Au enam nano-lengan berdasarkan substrat GaAs dan Ni untuk aplikasi pemanenan energi matahari. Analisis foto-kuantum dan distribusi aliran daya secara matematis menunjukkan bahwa sel satuan yang diusulkan memiliki kemungkinan konversi foton yang signifikan untuk aplikasi fotovoltaik atau sel surya. Kinerja SHPA sel unit yang diusulkan dianalisis berdasarkan sifat dielektrik, kinerja saluran transmisi, medan dan distribusi daya, penyerapan dalam hal studi parametrik. Semua data diekstraksi dari S-parameter melalui simulasi CST MWS, yang menunjukkan bahwa karakteristik DNG ada dengan penyerapan EM ultrawideband (lebih dari 95%) baik dalam spektrum cahaya tampak dan UV. Unit patch Hexa yang dioptimalkan adalah celah split 10 nm dan tinggi 90 nm untuk penyerapan yang dinyatakan. Validasi eksperimental dari penyerap yang diusulkan akan dilanjutkan lebih lanjut untuk menjadi kandidat yang diinginkan dalam aplikasi pemanenan energi rentang THz.
