Assorbitore di energia solare altamente efficiente, perfetto, angolare e a banda ultralarga per la gamma da UV a MIR

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18044 (2022) Citare questo articolo

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Sebbene siano stati provati materiali e design diversi alla ricerca dell'assorbitore di luce ideale e a banda ultralarga, ottenere un assorbimento della luce non polarizzata a banda ultralarga e robusto su un ampio intervallo angolare si è rivelato un problema importante. Le capacità di regolazione del campo luminoso fornite dai metamateriali ottici rappresentano una potenziale nuova tecnica per assorbitori perfetti. Il nostro obiettivo è progettare e dimostrare un assorbitore solare a banda ultralarga per la regione dall'ultravioletto al medio infrarosso che abbia un assorbimento della luce TE/TM in media del 96,2%. Nelle bande visibile, NIR e MIR dello spettro solare, l'energia assorbita è determinata essere superiore al 97,9%, superiore al 96,1% e superiore al 95%, rispettivamente sotto la radiazione solare secondo l'indice di massa dell'aria 1.5 (AM1.5) indagine sullo spettro. Per ottenere questo assorbimento a banda larga, lo strato di base del materiale TiN è seguito dallo strato di SiO2 e, soprattutto, da uno strato di Cr con risonatori a base di Ti modellati con motivi multipli circolari e rettangolari. Ulteriori applicazioni nei dispositivi optoelettronici integrati potrebbero trarre vantaggio dal forte assorbimento dell'assorbitore solare ideale, dalle ampie risposte angolari e dalla costruzione scalabile.

L'assorbimento completo e completo della luce omnidirezionale e polarizzata naturalmente su una determinata banda d'onda, che può in alternativa essere chiamato "assorbitori di corpo nero", è estremamente vantaggioso nel fotovoltaico solare e in altre applicazioni come il fotorilevamento e i modulatori ottici1,2. Sono stati compiuti sforzi per sviluppare assorbitori che siano quanto più efficienti possibile. Foreste di nanotubi di carbonio3, nanoconi di silicio4, nanobarre di ossido5, varie nanostrutture metalliche6 e così via sono alcuni dei nanomateriali e delle nanostrutture più comuni utilizzati oggigiorno negli assorbitori di corpo nero. Queste strutture artificiali sub-lunghezza d'onda con risposte ottiche controllate e metasuperfici sono recentemente emerse come potenziali candidati per assorbitori perfetti. I vantaggi degli assorbitori perfetti sulla metasuperficie nella gestione del campo luminoso, inclusa la loro facile integrazione, lo spessore ultrasottile e le alte prestazioni, hanno attirato molte ricerche7,8. Schemi metallici, distanziatori dielettrici e uno strato metallico dall'alto verso il basso sono la tipica configurazione a sandwich degli assorbitori perfetti di energia solare metamateriali (MSPSEA)9. Vale anche la pena notare che gli MSPSEA originariamente riportati operano a una singola lunghezza d'onda10,11,12,13 nella gamma delle basse frequenze14, il che ne limita l'applicabilità pratica15. Di conseguenza, sono stati compiuti numerosi sforzi per ampliare la larghezza di banda di assorbimento e migliorare la frequenza di risposta. Per aumentare la frequenza di risposta, le dimensioni delle caratteristiche della cella unitaria potrebbero essere ridotte. L'ampliamento del range di assorbimento può essere ottenuto in due modi: sovrapponendo i picchi di assorbimento oppure riducendo il fattore di qualità della risonanza16,17,18,19,20. La struttura multistrato, i nanocompositi plasmonici e le cellule unitarie a dimensione graduale sono stati tutti studiati per raggiungere gli obiettivi sopra indicati21. Un altro fattore che può influenzare le prestazioni dell'assorbitore è il materiale di cui è composto. Altri materiali e dielettrici oltre ai metalli e ai dielettrici più tradizionali sono stati utilizzati per costruire MSPSEA a banda larga, tra cui TiN, ITO e persino fosforo nero22,23,24,25. Si prevede che queste metasuperfici raggiungano un assorbimento a banda ultra larga (UWB) negli ultimi anni ed è stato dimostrato che hanno circa l'85% di assorbanza su una banda operativa ultra ampia, che comprende le lunghezze d'onda dall'UV al vicino infrarosso (NIR)26. A causa della loro difficile produzione e progettazione della configurazione, gli MSPA non sono ora in grado di raggiungere contemporaneamente bande di lavoro ultra ampie e un'elevata assorbenza (> 90%). Sono necessari nuovi materiali e soluzioni per ottenere un assorbimento impeccabile dell’UWB.

Metalli pregiati sono spesso utilizzati in questi assorbitori perfetti a causa delle loro proprietà di risonanza plasmonica e di accoppiamento ottico27. Uno spettro di assorbimento ristretto è ostacolato dal breve stoccaggio e dai costi elevati per i metalli più pregiati. Per tenere il passo con la domanda saranno necessari assorbitori con uno spettro più ampio. Utilizzando il titanio metallico, Lui et al. sono stati in grado di ottenere un ampio assorbimento su tutta la gamma di lunghezze d’onda28. Anche a temperatura ambiente, il titanio è notevolmente stabile. Questo metallo refrattario ha un punto di fusione di 1668 gradi Fahrenheit. Inoltre, è stato dimostrato che i metamateriali in titanio (Ti) hanno capacità di assorbimento a banda larga29,30. Poiché la componente immaginaria della costante dielettrica è stata notevolmente ridotta, la perdita di assorbimento della luce può verificarsi su un ampio intervallo di frequenze. Per questo motivo la plasmonica è considerata una caratteristica importante del titanio e dei suoi compositi31,32,33. Le qualità di assorbimento plasmonica del titanio sono dovute a queste caratteristiche. D’altro canto, i metalli refrattari, che possono resistere a temperature più elevate, sono più adatti per i materiali assorbitori solari. Sebbene non sia abbondante come l’oro, l’argento o il rame, il titanio è in grado di affrontare con successo le preoccupazioni legate alle scarse riserve e ai costi elevati perché i suoi depositi mondiali sono significativamente più grandi. Grazie alle qualità uniche di questi sistemi risonanti refrattari a base di metalli, è possibile sviluppare nuove apparecchiature come celle solari e sistemi di trasferimento del calore, oltre a quelle più consolidate34,35,36,37,38.