Bẫy ánh sáng plasmon cho việc nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng trong các tế bào nhiệt điện quang học siêu mỏng liên kết màng

Qing Ni1,2, Hassan Alshehri1, Yue Yang1,3, Hong Ye2, Liping Wang1
1School for Engineering of Matter, Transport & Energy, Arizona State University, Tempe, USA
2Department of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei, China
3School of Mechanical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology (Shenzhen), Shenzhen, China

Tóm tắt

Các tế bào cực mỏng đã thu hút được sự chú ý ngày càng nhiều do tiềm năng giảm trọng lượng, giảm chi phí và tăng tính linh hoạt. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ ánh sáng trong các tế bào siêu mỏng thường rất yếu so với các tế bào khối tương ứng. Để đạt được sự hấp thụ photon cải thiện trong các tế bào thermophotovoltaic (TPV) siêu mỏng, công trình này đề xuất một cấu trúc vật liệu biến hình liên kết màng, bao gồm một lớp gallium antimonide (GaSb) dày nanomet được kẹp giữa một lưới kim loại một chiều (1D) ở trên và một phim kim loại ở dưới. Khả năng hấp thụ quang phổ bình thường của cấu trúc đề xuất đã được tính toán bằng thuật toán sóng kết hợp chính xác (RCWA) và sự cải thiện khả năng hấp thụ được làm sáng tỏ nhờ vào sự kích thích của polariton từ tính (MP), polariton plasmon bề mặt (SPP), và cộng hưởng Fabry-Perot (FP). Các cơ chế của MP, SPP và FP đã được xác nhận thêm bằng một mô hình mạch điện cảm kháng, quan hệ phân tán, và độ lệch pha, tương ứng. Các ảnh hưởng của chu kỳ lưới, độ rộng, độ dày lớp tách cũng như góc tới đã được thảo luận. Hơn nữa, mật độ dòng ngắn mạch, điện áp hở mạch, công suất điện đầu ra, và hiệu suất chuyển đổi đã được đánh giá cho tế bào GaSb TPV siêu mỏng với cấu trúc vật liệu biến hình liên kết màng. Công trình này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các tế bào TPV hồng ngoại siêu mỏng thế hệ tiếp theo với chi phí thấp.

Từ khóa

#tế bào thermophotovoltaic #hấp thụ ánh sáng #vật liệu biến hình #gallium antimonide #plasmon #khả năng hấp thụ quang phổ

Tài liệu tham khảo

Emrani A, Vasekar P, Westgate C R. Effects of sulfurization temperature on CZTS thin film solar cell performances. Solar Energy, 2013, 98(PC): 335–340

Dhakal T P, Peng C Y, Reid Tobias R, Dasharathy R, Westgate C R. Characterization of a CZTS thin film solar cell grown by sputtering method. Solar Energy, 2014, 100: 23–30

Ge J, Jiang J, Yang P, Peng C, Huang Z, Zuo S, Yang L, Chu J A. 5.5% efficient co-electrodeposited ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4/Mo thin film solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 125: 20–26

Wang W, Winkler M T, Gunawan O, Gokmen T, Todorov T K, Zhu Y, Mitzi D B. Device characteristics of CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency. Advanced Energy Materials, 2014, 4(7): 1301465

Lee Y S, Gershon T, Gunawan O, Todorov T K, Gokmen T, Virgus Y, Guha S. Cu2ZnSnSe4 thin-film solar cells by thermal coevaporation with 11.6% efficiency and improved minority carrier diffusion length. Advanced Energy Materials, 2015, 5 (7): 1401372

Lee B J, Wang L P, Zhang Z M. Coherent thermal emission by excitation of magnetic polaritons between periodic strips and a metallic film. Optics Express, 2008, 16(15): 11328–11336

Wu C, Neuner B, Shvets G, John J, Milder A, Zollars B, Savoy S. Large-area wide-angle spectrally selective plasmonic absorber. Physical Review B, 2011, 84(7): 075102

Wang L P, Zhang Z M. Wavelength-selective and diffuse emitter enhanced by magnetic polaritons for thermophotovoltaics. Applied Physics Letters, 2012, 100(6): 063902

Wang H, Wang L. Perfect selective metamaterial solar absorbers. Optics Express, 2013, 21(S6): A1078–A1093

Zhao B, Wang L, Shuai Y, Zhang Z M. Thermophotovoltaic emitters based on a two-dimensional grating/thin-film nanostructure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 67: 637–645

Wang H, Wang L. Plasmonic light trapping in an ultrathin photovoltaic layer with film-coupled metamaterial structures. AIP Advances, 2015, 5(2): 027104

Wang H, Wang L. Tailoring thermal radiative properties with filmcoupled concave grating metamaterials. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2015, 158: 127–135

Wang H, Prasad Sivan V, Mitchell A, Rosengarten G, Phelan P, Wang L. Highly efficient selective metamaterial absorber for hightemperature solar thermal energy harvesting. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 137: 235–242

Wang H, Chang J Y, Yang Y, Wang L. Performance analysis of solar thermophotovoltaic conversion enhanced by selective metamaterial absorbers and emitters. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 98: 788–798

Matsuno Y, Sakurai A. Electromagnetic resonances of wavelengthselective solar absorbers with film-coupled fishnet gratings. Optics Communications, 2017, 385: 118–123

Basu S, Chen Y B, Zhang Z. Microscale radiation in thermophotovoltaic devices—a review. International Journal of Energy Research, 2007, 31(6–7): 689–716

Wang LP, Zhang Z M. Measurement of coherent thermal emission due to magnetic polaritons in subwavelength microstructures. Journal of Heat Transfer, 2013, 135 (9): 091014

Moharam MG, Grann E B, Pommet D A, Gaylord T K. Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision, 1995, 12(5): 1068–1076

Li L. Use of Fourier series in the analysis of discontinuous periodic structures. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision, 1996, 13(9): 1870–1876

Guérout R, Lussange J, Chan H B, Lambrecht A, Reynaud S. Thermal Casimir force between nanostructured surfaces. Physical Review A—Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2013, 87(5): 052514

West P R, Ishii S, Naik G V, Emani N K, Shalaev V M, Boltasseva A. Searching for better plasmonic materials. Laser & Photonics Reviews, 2010, 4(6): 795–808

Ferrini R, Patrini M, Franchi S. Optical functions from 0.02 to 6 eV of AlxGa1–xSb/GaSb epitaxial layers. Journal of Applied Physics, 1998, 84: 4517–4524

Zhou J, Economon E N, Koschny T, Soukoulis C M. Unifying approach to left-handed material design. Optics Letters, 2006, 31 (24): 3620–3622

Zhang Z M. Nano/microscale Heat Transfer. New York: McGraw-Hill, 2007

Wang L P, Lee B J, Wang X J, Zhang Z M. Spatial and temporal coherence of thermal radiation in asymmetric Fabry–Perot resonance cavities. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(13–14): 3024–3031

Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M. Enhancement of near-infrared absorption in graphene with metal gratings. Applied Physics Letters, 2014, 105(3): 031905

Park K, Basu S, King W P, Zhang Z. Performance analysis of nearfield thermophotovoltaic devices considering absorption distribution. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2008, 109(2): 305–316

Tong J K, Hsu W C, Huang Y, Boriskina S V, Chen G. Thin-film ‘thermal well’ emitters and absorbers for high-efficiency thermophotovoltaics. Scientific Reports, 2015, 5: 10661

Bergman T L, Lavine A S, Incropera F P, De Witt D P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011

Ni Q, Ye H, Shu Y, Lin Q. A theoretical discussion on the internal quantum efficiencies of the epitaxial single crystal GaSb thin film cells with different p-n junctions. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2016, 149: 88–96