基于分裂六边形贴片阵列的超宽带纳米超表面吸收器实现卓越可见光与UV太阳能捕获

摘要

太阳能是易于无污染采集的环境能源之一。太阳能电池回收能量需要先进技术加速能量吸收向电子流转换以产生更多电力。太阳能电池结构研究旨在提高吸收效率，但大多仅能高效吸收窄角度容忍和偏振敏感。因此迫切需要宽带吸收且极低偏振敏感的吸收器以实现高效太阳能收集。本文提出一种具有双负（DNG）特性的分裂六边形贴片阵列（SHPA）形状超材料吸收器，为太阳能谱收集提供低偏振敏感的宽吸收带。SHPA新形状由六个纳米臂和单个垂直分裂组成，具箭头对称性。该臂将电磁（EM）共振引导至获得绝对负介电常数和磁导率，确保DNG特性。基于光子转换量子法分析DNG超材料特性以实现最大光子吸收。所提结构对称特性使吸收器表现出偏振不敏感和宽入射角吸收能力。模拟SHPA显示可见光和紫外（UV）频谱电磁波吸收能力超95%。量子法赋予吸收器转换效率优势，数值分析为太阳能电池或光子应用通过THz制度能量收集提供吸收质量。

引言

材料工程从古至今推动人类发展，“超材料”即将成为关键突破之一。“Meta”表示材料体裁变化，展现负介电常数和磁导率等独特介电特性，易制造。超材料不同应用潜力使全球研究者更好奇在各自领域做标杆创新。从可见频率范围光子能量转换并融入能量收集，特别是太阳能电池基础能量研究，是超材料吸收器有前景领域之一。可见光谱或UV范围光波无时无刻不围绕我们，蕴含巨大能量。在所有既定利用技术中，光伏（PV）技术广泛应用于现场，近年最先进方法旨在提升性能平衡未来绿色能源挑战。例如单晶、多晶、多晶硅电池提效，钙钛矿、有机和量子点PV提升功率转换效率，影响功率输出的PV相关材料光电质量等。此外材料制造方法如高质量PV钙钛矿层顺序沉积、涂覆印刷钙钛矿、光子回收或基于质心类比的最大功率点算法等聚焦提升太阳能电池效率。

此外，天线与整流器（二极管）组合“整流天线”也被探索增强典型PV电池效率。整流天线主要研究微波功率传输，因高效将微波能转电能。例如纳米技术专利原型聚焦光电转换增强效率且兼容传统太阳能电池。实验显示整流天线置于PV模块下输出380-480 W/m²，组合模块效率从10-20%提至38-40%。受纳米制造技术限制，多数原型工作在远红外而非可见光谱。可期待纳米技术发展进一步推进此法。因此近期文章采用多样策略收集太阳能，如多端透明天线混合RF-太阳能获72.4%效率、53.2% RF-DC转换效率；演化偶极子纳米天线（EDN）经电子束光刻致力效率优化，效率从30%增至40%；金属-绝缘体-金属（MIM）集成SiO₂隧道显示转换效率超90%；Zhang和Yi提出蝶结纳米整流天线声称73.38%转换效率。嵌入肖特基二极管基“法布里-珀罗（FP）”谐振器的超材料启发整流天线展示高Q因子和16倍性能提升；超材料启发半经典模型光学整流天线陈述高效低成本太阳能电池。不仅此，超材料特性多变体探索如双功能吸收可切换超材料、二氧化钒薄超表面、锗启发可调传感超表面。除常规能量收集思想，多数超材料吸收器或天线开发用于RF能量收集而非可见光谱。这些文章能量收集无法贡献太阳能电池。

THz范围整流天线或超材料吸收器启发纳米整流天线仍处实验室实验或分析，因阻抗匹配、单元电池与PV电池集成、单元电池转换能量馈入PV单元、光子转换效率、传输损耗等约束。此外PV电池易随环境参数退化且可见光谱吸收带窄。然而纳米天线或吸收器采用先进设计制造技术探索，如全向结构等离子体吸收器收集效率约38%、柔性衬底纳米天线电磁收集器（NEC）显示90%吸收克服材料光学行为和制造约束。纳米结构独特光电特性揭示动态材料特性的多种吸收百分比范围。虽多数报告复杂结构仍难应用太阳能收集，一些超材料吸收器实验基础上用于预期应用。天线将入射EM波转交流信号，二极管整流为可用直流电压。射频可获超90%转换效率。但因工艺复杂和二极管整流响应太慢，极难将整流天线扩展至光学制度。H. Barlow1954年报道罕见无二极管直接光电转换——动态霍尔效应（DHE）。理论上所有导体材料均展现此效应，适用微波至可见频率全EM频谱且响应迅速。因此利用超材料增强太阳能收集系统效率的潜在领域尚待探索、分析和重新部署所有可用技术以加速典型太阳能电池应用层面效率。

本文提出基于GaAs和Ni衬底的Au六纳米臂分裂六边形超材料吸收器，用于太阳能收集应用。光子量子分析和功率流分布数学显示所提单元具有显著光子转换可能性用于光伏或太阳能电池应用。所提SHPA单元性能基于介电特性、传输线性能、场和功率分布、参数研究吸收分析。所有数据从CST MWS仿真S参数提取，显示DNG特性存在，可见光和UV光谱超宽带EM吸收（超95%）。优化六边形贴片单元为10 nm分裂间隙和90 nm高度以达前述吸收。所提吸收器实验验证将进一步进行，以成为THz范围能量收集应用理想候选者。

计算设计与方法论

SHPA超材料吸收器建模为双层衬底：砷化镓（GaAs）和镍（光学），贴片层设计为金（Au）。80 nm厚GaAs损耗介电常数12.94，100 nm厚Ni（图1a）。表1显示单元结构详细尺寸。SHPA贴片厚度90 nm，Au薄膜对局域磁场可忽略，各向同性电导率4.1×10⁷ S/m。根据“各向异性Drude电导张量”，仅考虑局域磁场Z分量，因其他两轴正交分量远弱于Z分量。仿真中X、Y方向周期边界条件，顶底层分别施加PEC（完美电导体）和PMC（完美磁导体）（图1b）。通过引入局域磁场确保单元各向异性电导。SHPA S参数仿真范围430 THz至1000 THz，步长100 THz。反射（R）、透射（T）、吸收（A）由A=1-T-R得出，其中|S₁₁|²=R，|S₂₁|²=T。平面波电场定义为E=E_xCos(ωt+kz)沿Z轴传播，E_x为电场振幅，ω角频率，t时间，k波数。

Pendry建议的超材料几何结构开发广泛适用微波范围，但THz制度即可见光和光学频率在负磁导率和多层衬底平行传播显示主要劣势。替代设计方法金属-介质-金属展示良好响应作为正常传播结构的共振磁偶极子，演示负磁导率且简化层结构相对易纳米制造。此外设计具有DNG特性三维超材料吸收器需结构若干特性如反向传播、反向多普勒效应、渐逝波放大等。尽管理论分析和可见频谱能力已被专家描述。因此薄膜纳米结构DNG特性基础MA关注负ε和μ，常用作周期性薄金属阵列。薄金属贴片阵列用“Drude”模型描述稀释自由电子等离子体，但考虑上层为损耗性故……

结果、分析与讨论

单元功率与介电特性

根据光子量子法，单元边界条件特别是传播方向、偏振角、E场和H场电流流动等需要一定功率。分析多晶向传播所需功率。公式（2）（3）基于复庞丁矢量定理。事实是单元接收功率为阳光，全向性，吸收器功率流必须定向以增强效率。因此传播波功率仅与时间平均参数相关矢量实部成比例。一个或两个端口激励功率将通过单元传播。其余能量通过所有端口离开（输出功率）。单元接收功率转化为介质材料特性、贴片或SHPA纳米臂考虑的集总元件损耗。考虑Z方向复平均功率实部……

类似地，用文献[43]公式计算接收和输出功率，绘制图2显示关联功率（图2a）和单元功率流（图2b）纳米超吸收器仿真中观察到。激励功率全谱限0.5瓦，接收和输出功率两端口呈相反分布。然而3D功率流显示异常特性因偶极矩惯性随工作频率范围和非均匀材料渗透状态。从430 THz起大部分偶极矩未组织，因THz操作初始阶段有偏振效应，715 THz后稳定拥有正常偶极效应持续至1000 THz。此外GaAs半导体特性和Ni铁磁特性阻碍功率流但幸好不占主导。从S参数提取介电特性（ε、μ、η）用DRI方法进行数值调查评估超材料特性。三种不同材料单元吸收器在EM波传播中有孤立特性，但该独特结构尺寸与顶部贴片级联电容和电感修改单个材料常规介电特性并描绘独特特性。提取介电特性用DRI法，透射系数（S₂₁）和反射系数（S₁₁）为关键参数。

图3展示所提SHPA纳米超吸收器所有模拟结果。图3a,b S₁₁和S₂₁幅度实部和虚部近乎一致。虽红外范围响应有三连续小共振点因结构趋肤深度（δ）效应，幸好对获得负介电常数、磁导率和折射率起正面作用。图3c,d,e分别显示这些特性实部虚部值，确保所提SHPA超材料存在。文献[45,46]提及强热电磁渐逝场需考虑因太阳能收集应用视角。实验提及近场辐射中两连续材料热传导逐渐增加。此外表面等离激元主导渐逝波，根据“Drude模型”，复介电常数和磁导率由单元内波偏振决定。图3c,d,e呈现介电特性，低波长操作介电常数和磁导率受渐逝波影响。因此所提单元负特性显著可见并确保良好EM吸收。传输线特性和VSWR（电压驻波比）图4清晰显示反射量……

场效应分析

光EM本质在可见区为横电磁波。阳光分三谱：红外、可见、紫外（UV）。太阳光谱能量分布可见范围最大强度1.5 eV，类似大多数半导体材料，其他两谱吸收产生热。考虑典型可见光EM传播和图1b边界条件，电场（E场）和磁场（H场）数值性能见图4。虽共振频率445 THz特性呈现但全带宽430-650 THz有相似场分布。一维矢量微分算子∇随EM波传播相位变化略变，电场和磁场分量分别为E_m和H_m，传播常数γ=√(jωμ(σ+jωε))为与波衰减和相位偏差相关复量。因可见光波兼具波粒二象性，波通过单元材料传播在E场和H场特性显示变化。此外γ随介电特性非线性关系随工作频率逐渐增加。图5显示每个SHPA纳米分裂在共振550 THz存在显著E场分量（2.31×10⁶ V/m对数刻度）。虽模拟频率区域（可见和UV），此强E场随振幅轻微变化观察到。水平和垂直贴片条（四分裂）也贡献场分量，振幅变化（2.08×10⁵~2.31×10⁶ V/m对数刻度）。SHPA单元瞬态分析（两级级联）给定电容和电感值1.37×10⁻¹⁷ nF和3.87×10⁻¹⁴ nH加速共振频率场操作。H场（图5b）有类似效应从EM沿Z方向传播，非均匀介质渗透中公式（5）成为Z函数且磁导率常数。对应波方程简化为“Riccati微分方程”……

光波偏振研究所提单元SHPA解释单元太阳能收集可行性，因偏振波通过表面传播损失能量。哈密顿公式提及跃迁偶极矩阵元随TE和TM偏振在波入射角变化于GaAs材料。TE和TM模式偏振角均增40°步长（图6），电场偏振角惊人主导效应对比磁场取向。TE模式低范围约430-650 THz（690 nm至460 nm），给定Ni-GaAs衬底组合差异，核心包层差异使折射率随可见波长接近带隙增加。因此吸收量在该谱波动（图6a），TM偏振显示类似波动尽管偏振角0°至120°变化。TM模式相位失配通常长波长大。此外六边形形状对分裂间隙和贴片高度变化吸收有显著影响。分裂间隙贴片形成电容变化而相邻贴片位置电容不变。图6c分裂间隙5 nm至25 nm变化，较低分裂间隙因实质电容给出优异吸收。尽管间隙变化吸收近乎保持90%以上对5 nm，分裂间隙渐增使430-500 THz初始吸收下降但整体模拟观察到95%吸收。SHPA高度（图6d）贴片分裂保持10 nm时，EM信号传播区域正常和斜入射集体增加，故分裂高度优化为较高值伴随吸收。SHPA高度或厚度60 nm至90 nm平均吸收85%至88%，直接陈述90 nm为优化值。

然而SHPA制造原型和测量结果将支持模拟数据，将在研究下一阶段进行。此外表2描述比较图理解所提纳米超吸收器贡献。表2中文献[51]显示良好效率但工作频率和窄带性能使其无法符合可见频率操作。另一文献[52,53]声称太阳能收集应用但带宽和工作范围使其较他者更脆弱。

结论

本文提出基于GaAs和Ni衬底Au六纳米臂分裂六边形超材料吸收器用于太阳能收集应用。光子量子分析和功率流分布数学显示所提单元对光伏或太阳能电池应用有显著光子转换可能性。所提SHPA单元性能基于介电特性、传输线性能、场和功率分布、参数研究吸收分析。所有数据从CST MWS仿真S参数提取，显示DNG特性存在，可见光和UV光谱超宽带EM吸收（超95%）。优化六边形贴片单元为10 nm分裂间隙和90 nm高度以达前述吸收。所提吸收器实验验证将进一步进行，以成为THz范围能量收集应用理想候选者。

数据与材料可用性

所有数据完全开放无限制。

缩略语

CDN:

经典偶极子纳米天线

DRI:

直接折射率

DNG:

双负

EM:

电磁

FDTD:

有限差分时域

GA:

遗传算法

PV:

光伏

SHPA:

分裂六边形贴片阵列

UV:

紫外