• предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • обговорення
  • Система поділу спектра
  • Можливість вловлювати світло і точність технології
  • Прозорий електрод
  • матеріалів
  • Доцільність експериментів
  • обмеження
  • методи
  • Детальніше
  • Додаткова інформація
  • Документи Word
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

предметів

  • Нанофотоніка та плазмоніка
  • Сонячна енергія та фотоелектричні технології

реферат

Теоретично досліджено поглинання світла одношарової фотоелектричної комірки графен-молібден дисульфіду (GM-PV) в клиновидній мікропорожнині зі структурою, що розщеплює спектр. Клітина GM-PV, яка втричі тонша за традиційні фотоелектричні елементи, демонструє до 98% поглинання світла в широкому діапазоні довжин хвиль. Ця швидкість перевищує основну межу вловлювання нанофотонного світла в сонячних елементах. Досліджено вплив товщини шару дефекту, положення клітин GM-PV у мікропорожнині, кута падіння та аберації кришталика на поглинання світла GM-PV клітин. Незважаючи на цей ефект, клітина GM-PV може досягти принаймні 90% поглинання світла, використовуючи сучасну технологію. Наша конструкція забезпечує різні методи для проектування світлозахоплювальних структур та застосування систем розподілу спектра.

ідеальний

Структура ділення спектра широко застосовується у високоефективних фотоелементах 31, 32, 33, 34, 35. Ця структура може зменшити втрати тепла, спричинені невідповідністю між енергією фотонів та шириною зазору напівпровідника, фокусуючи світло різної довжини хвилі на напівпровідники з різними зазорами 31, 32, 33, 34, 35. Втрати тепла можна зменшити приблизно до 10%, використовуючи 8-10 напівпровідників з різними зазорами в смузі, які утворюють фотоелемент 32. У наших попередніх дослідженнях ми поєднували структуру, що розщеплює спектр, і резонансну структуру відбиття світла для досягнення ідеального широкосмугового поглинання в напівпровідниковій плівці товщиною приблизно 100 нм 36. Однак розташування світла слабке в резонансній структурі зворотного розсіювання захоплення світла. Отже, ідеального поглинання світла важко досягти в шарі середовища товщиною 1 нм. Вимоги до рухливості матеріалу можна мінімізувати, зменшивши товщину шару носія до

1 нм та енергетична зона та оптичні властивості напівпровідникової плівки з розміром

1 нм можна регулювати, регулюючи структурні та фізичні параметри, такі як напруження. Цей процес підтримує використання інженерної енергетичної смуги у фотоелектричних елементах.

Кілька недавніх досліджень вивчали підвищене поглинання світла у двовимірних матеріалах, таких як графен, за допомогою різних оптичних мікроструктур 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49. У цьому дослідженні ми поєднали асиметричне мікровиробництво фотонних кристалів із клиноподібним шаром та структурою, що розщеплює спектр. Використовуючи цю структуру, було створено елемент GM-PV, який втричі тонший, ніж традиційний фотоелектричний елемент, і який має сприятливе поглинання світла понад 98% в широкому діапазоні довжин хвиль. Ми також визначили вплив товщини дефектного шару, положення клітин GM-PV у мікропорожнині, кута падіння та аберації кришталика на швидкість поглинання світла клітин GM-PV для порівняння результатів розрахунку та фактичного результату. Незважаючи на цей ефект, поглинання світла клітин GM-PV за сучасними технологіями може перевищувати 90%. Дослідження пропонує різні методи для проектування світлозахоплюючих конструкцій та застосування систем спільного використання спектру.

результат

Вплив звичайного мікрокуса на поглинання клітин GM-PV представлений для того, щоб зрозуміти фізичний механізм та показати переваги та недоліки традиційного i-LTS. На малюнку 1 (а) показано структуру звичайної мікропорожнини. Блакитний шар, синій шар і червоний шар являють собою шар SiO 2, шар ZnS та шар клітин GM-PV. Дефектний шар з діелектриком nc знаходиться посередині порожнини, а комірка GM-PV - посередині дефектного шару. Розподілені бреггівські відбивачі (DBR), в яких поперемінно розподіляються два матеріали з різними діелектриками (n1 та n2), розташовані по обидва боки порожнини з періодичністю M1 і M2. У розрахунку використовуються n c = n 1 = 1, 55 (наприклад, SiO 2) та n2 = 2, 59 (наприклад, ZnS). Відповідні товщини шару: d1 = X DBR/4 n1 та d2 = X DBR/4 n 2, де X DBR - середня довжина хвилі. Усі шари немагнітні (μ = 1). Для прямого порівняння було розраховано поглинання світла одношарового графену, MoS 2 та клітин GM-PV. Показник заломлення графену можна виразити як

, де

( a ) Схема загальної мікрочистоти фотонних кристалів. Блакитний шар, синій шар і червоний шар являють собою шар SiO 2, шар ZnS та шар клітин GM-PV. ( b ) поглинання світла одношаровим графеном, MoS 2 та клітинами GM-PV. c ) Поглинання клітин GM-PV (A GM - PV) як функція періодичності розподілених бреггівських відбивачів по обидва боки мікропорожнин при 470 нм та d ) 610 нм. e ) коливання поглинання клітин GM-PV в мікропорожнині при різних довжинах хвиль (вставити: розподіл світлового поля). f ) Контурний графік поглинання клітин GM-PV при різній довжині хвилі та товщині дефектного шару. Варіація варіації клітин GM-PV з різною довжиною хвилі при різних кутах падіння: ( g ) Режим TE і ( h ) Режим TM.

Повнорозмірне зображення

Резонансний стан у мікропорожнині чутливий до товщини дефектного шару та кута падіння. Розрахункові результати представлені на малюнку 1 (f - h). Резонансна довжина хвилі мікропорожнини задовольняє m i λ c/2 = Lc cos θ ′, де Lc = nc dc позначає оптичний шлях мікропорожнини, nc і dc - показник заломлення та товщина дефектного шару; m i - ціле число; і 9 '= arcsin 9 i/nc позначає кут поширення світла в дефектному шарі, де 9i - кут падіння. Таким чином, резонансна довжина хвилі лінійно збільшується із збільшенням товщини дефектного шару. Потім резонансна довжина хвилі рухається у напрямку короткої хвилі зі збільшенням кута падіння. Ідеальне поглинання розподіляється головним чином у фотонній зазорі (470 - 670 нм), оскільки товщина фотонних кристалів з обох сторін залишається незмінною. Резонансна довжина хвилі також корелює з кутом поширення в дефектному шарі. Чим вищий показник заломлення дефектного шару, тим менший кут поширення. Тому при зміні кута падіння відбуваються мінімальні зміни резонансного піку. У розрахунках резонансний пік чутливий до кута падіння, коли показник заломлення дефектного шару становить 1, 55. Пік резонансного поглинання дещо змінюється, коли кут падіння становить 15 °. На відміну від цього, резонансний пік зміщується з відстанню до ШІМ, коли кут падіння становить 30 °.

Схема системи ( a ) для спільного використання спектру та ( b ) клиновий фотонний кристал; c ) поглинання клітини GM-PV в клиноподібній мікропорожнині (вставити: зміна товщини дефектного шару з різними координатами положення); d ) поглинання клітини GM-PV в кліноподібній мікропорожнині (вставлено: мікропорожнина у формі цвяха вздовж плеча).

Повнорозмірне зображення

Для того, щоб поєднати результати розрахунку з практичним виробництвом, додатково досліджуються ефекти розміщення клітин GM-PV у мікропорожнині, товщина шару дефекту, кут падіння та аберація кришталика на поглинання клітин GM-PV. Результати розрахунку наведені на малюнку 3. Інші ефекти, такі як вплив допусків на виготовлення фотонного кристала (додаткова інформація S3), корекція зовнішнього шару (додаткова інформація S4) та допуски на положення фотоелектричних елементів (додаткова інформація S5) наведені в додаткові матеріали.

Поглинання клітин GM-PV в a ) різні позацентрові положення клітини GM-PV в мікропорожнині; b ) різної товщини дефектного шару; c ) різні кути (що відповідає режиму ТЕ); d ) різні кути (що відповідає режиму ТМ); e ) різні діаметри лінз, якщо кут вершини призми α A = 45 °; f ) різні діаметри лінз, якщо кут вершини призми α A = 30 °; Вставити в ( e, f ) показує сфокусоване світлове пляма з різною довжиною хвилі для D = 15 і D = 7 см.

Повнорозмірне зображення

Розташування світла найсильніше в середині порожнини. Поглинання клітин GM-PV зменшується, коли воно знаходиться поза центром. Тим не менше, на центральну поглинання впливає незначно, оскільки світлове поле майже рівномірно розподіляється в порожнині. Поглинання клітини GM-PV майже не змінюється при A Z = 10 нм, незначно змінюється при A Z = 20 нм і значно зменшується при A Z ≥ 30 нм. Зміна поглинання зростає на коротких довжинах хвиль. Цей результат можна пояснити тим, що тонший дефектний шар на коротких довжинах хвиль призводить до більшого відносного відхилення. Зміна товщини дефектного шару впливає на поглинання клітин GM-PV. Резонансна частота мікропорожнини змінюється залежно від різної товщини дефектного шару. Таким чином, вже неможливо досягти ідеального поглинання світла, що падає на порожнину, за допомогою резонансу, тобто поглинання зменшується. Поглинання незначно змінюється, коли амплітуда варіації товщини дефектного шару становить 1 нм. Поглинання світла на довжинах хвиль> 500 нм значно зменшується, коли амплітуда зміни товщини становить 2 нм. Однак він все одно може перевищувати 90%. Поглинання світла на довжинах хвиль 52, кут падіння можна регулювати приблизно до 0,1 °.

Аберація викликає світлову точку, коли лінза відображається. Довжина хвилі ідеально збігається з товщиною дефектного шару навколо центру світлової плями, тоді як довжина хвилі в інших положеннях не може бути правильно відрегульована, що призводить до зменшення поглинання. На малюнку 3 (e, f) показано ефекти аберації на поглинання клітин GM-PV. Більший діаметр лінзи означає більшу світлову пляму. Відповідно, відбувається невідповідність і поглинання клітин GM-PV зменшується. Вплив аберації на поглинання клітин GM-PV головним чином залежить від значення Q та здатності розщеплювати структуру спектру світлового розщеплення. Менше значення Q означає слабшу локалізацію світла та більшу ШВМ. Як результат, ефект аберації в цих умовах є слабким. Для лінз зі змінним діаметром зміна поглинання на довжинах хвиль менше 500 нм суттєво відрізняється від поглинань на довжинах хвиль більше 500 нм. На малюнку 3 (e, f) видно, що більший вертикальний кут призми означає сильнішу здатність до розщеплення світла та менший градієнт змін. Це означає, що ефект аберації мінімальний.

обговорення

Система поділу спектра

Можливість вловлювати світло і точність технології

Теоретично, здатність вловлювати світло в i-LTS не обмежена в поєднанні зі структурою ділення спектра. Однак практична здатність вловлювати світло обмежується точністю техніки. Здатність інтерференційної структури захоплювати світло можна виміряти, використовуючи значення Q. Вище значення Q означає сильнішу здатність захоплювати світло. Хоча значення Q оптичних мікроструктур без поглинання може досягати до 108, здатність вловлювати світло обмежується технологією обробки. На основі визначення Q-значення Q = ω 0/Γ ми можемо стверджувати, що вищі значення Q означають меншу ШІМ. Тим часом менші FWHM вказують на більш високі вимоги до точності обробки. Наприклад, припускаючи, що резонансна довжина хвилі мікрочистоти становить λ c = 2 L c = 2 ncdc, резонансна довжина хвилі змінюється на Δ λc = 2 nc Δdc, якщо постійний струм змінюється на dc + Δdc через помилки обробки, а поглинання зменшується на 50%, якщо ΔC досягає половини FMHM. Таким чином, розглянувши точність обробки, здатність до захоплення світла на основі мікропорожнини може бути збільшена не більше ніж у два-три рази за результати дослідження. Крім того, важко отримати ідеальне поглинання одношарового графена з мікропорожниною, оскільки поглинання світла одношарового графена становить лише близько 2,3% 40, 41 .

Прозорий електрод

Завдяки сильній локалізації світла в i-LTS, світлопоглинання прозорого електрода може бути збільшено. Отже, коефіцієнт згасання прозорого електрода повинен бути низьким. Основна проблема з прозорим електродом у традиційній фотоелектричній камері полягає в тому, що необхідно підтримувати невеликий ступінь поглинання світла у всій спектральній області сонячного світла. Однак різні прозорі електроди можуть бути використані для допоміжних батарей шляхом прийняття конструкції суб-батареї після використання структури розподілу спектра. Ці прозорі електроди необхідні лише для мінімального поглинання світла в певному діапазоні частот, тобто складність проектування прозорого електрода може бути значно зменшена.

матеріалів

У цьому дослідженні вивчалася здатність вловлювати світло найтоншої фотоелектричної комірки (тобто фотоелектричної комірки графен-MoS 2), яка характеризується поєднанням структури розсіювання спектру та i-LTS. Вимоги до рухливості матеріалу можуть бути мінімізовані, оскільки товщина шару робочого середовища становить лише 1 нм. Це явище підтримує застосування у фотоелектричних елементах матеріалів з низькою рухливістю, таких як некристалічні матеріали та органічні матеріали. Розглядаючи ефект квантового тунелю, для підготовки поглинального середовища можна використовувати ізолююче середовище з низькою висотою бар’єру. Зокрема, коли товщина робочого середовища зменшується до декількох нанометрів, структуру енергетичної смуги та оптичні властивості можна регулювати, змінюючи фізичні та структурні параметри, такі як напруження. Крім того, оцінювану зовнішню квантову ефективність можна збільшити до більш ніж 80%, використовуючи клітини поруч, які складаються з різних матеріалів із зазорами в смузі (додаткова інформація S6). Цей крок може значною мірою підтримати застосування інженерної енергетичної смуги у фотоелектричних елементах.

Доцільність експериментів

Структури можуть досягти високого поглинання світла після врахування точності поточної техніки. Прогресує комбіноване використання мікропорожнин та традиційних напівпровідникових мікроструктур, таких як квантові ями. Спільне використання мікропорожнин та двовимірних матеріалів залишається проблемою, але мікропорожнину кристалів графена, що містить графен, зробили 40, 41, 42, 43. Основною проблемою у виробництві цього продукту є інтеграція i-LTS із структурою, що розщеплює спектр, для формування клиноподібного середнього шару. Prineas та ін. сприяв зростанню 210 клиновидних напівпровідникових шарів через MBE для зменшення швидкості світла 54. Мікропорожнини клину також широко використовуються в експериментальних дослідженнях взаємодій легких речовин, таких як лазерно-плазмові взаємодії, поляритони в порожнинах та ефект Перселла 55, 56, 57 .

обмеження

Як і традиційні фотоелектричні елементи, що діляться спектром, запропонований фотоелектричний елемент застосовується лише під прямими сонячними променями. При непрямому сонячному світлі ефективність перетворення значно знижується, а коефіцієнт використання розсіяного сонячного світла низький. Слід використовувати сонячний трекер та механічну систему зворотного зв’язку. У регіонах з коротким періодом прямого сонячного випромінювання комірку GM-PV слід використовувати разом із традиційними фотоелектричними елементами.

На закінчення можна сказати, що ідеальне поглинання широкосмугової лінії зв'язку може бути досягнуто в клітині GM-PV товщиною 1 нм за допомогою комбінації структури розщеплення спектру та i-LTS. Досягнуте поглинання світла перевищує основну межу вловлювання нанофотонного світла в сонячних елементах. Поглинання світла комірки GM-PV, виробленої за сучасною технологією, все ще може перевищувати 90% незалежно від похибки товщини шару, відхилення положення елемента GM-PV у мікропорожнині, відхилення кута падіння та аберація кришталика. Це дослідження не тільки пропонує інший спосіб проектування світлозахоплюючих структур та застосування систем спільного використання спектру, але також має значне застосування у розробці оптоелектронних пристроїв, таких як фотоелектричні детектори.

методи

Метод модифікованої матриці переносу використовується для моделювання поглинання GM-PV клітини в мікропорожнині фотонного кристала. Для справжніх опуклих лінз з абераціями кожне заломлення світла через призму та лінзу вирішується чисельно, використовуючи закон Снелла.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Ву, Ю.-Б. та ін. Широкосмуговий ідеальний вловлювач світла в найтоншій одношаровій фотоелементальній камері Graphene-MoS 2: нове застосування структури розподілу спектра. Наук. Респ. 6, 20955; doi: 10, 1038/srep20955 (2016).

Додаткова інформація

Документи Word

Додаткова інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.