UV ~ MIR 범위를 위한 고효율, 완벽한 대형 각도 및 초광대역 태양 에너지 흡수체

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18044(2022) 이 기사 인용

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이상적인 초광대역 광 흡수체를 찾기 위해 다양한 재료와 디자인이 시도되었지만 넓은 각도 범위에서 초광대역과 강력한 비편광 광 흡수를 달성하는 것이 주요 문제로 입증되었습니다. 광학 메타물질이 제공하는 명시야 조절 기능은 완벽한 흡수체를 위한 잠재적인 새로운 기술입니다. 평균 96.2%의 TE/TM 광 흡수율을 갖는 자외선~중적외선 영역에 대한 초광대역 태양광 흡수체를 설계하고 시연하는 것이 우리의 목표입니다. 태양 스펙트럼의 가시광선, NIR, MIR 대역에서 흡수에너지는 대기질량지수 1.5(AM1.5)에 따라 일사량 하에서 각각 97.9% 이상, 96.1% 이상, 95% 이상으로 측정됩니다. 스펙트럼 조사. 이러한 광대역 흡수를 달성하기 위해 TiN 소재 접지층 뒤에는 SiO2 층이 있고 그 위에는 원형 및 직사각형 다중 패턴의 패턴화된 Ti 기반 공진기가 있는 Cr 층이 있습니다. 통합 광전자 장치의 더 많은 응용 분야는 이상적인 태양열 흡수체의 강력한 흡수, 큰 각도 반응 및 확장 가능한 구조의 이점을 누릴 수 있습니다.

"흑체 흡수체"라고도 부를 수 있는 주어진 파장 대역에 걸쳐 전방향 및 자연 편광된 빛을 전체적으로 완전히 흡수하는 것은 태양광 발전 및 광검출 및 광학 변조기와 같은 기타 응용 분야에 매우 유용합니다1,2. 가능한 한 좋은 흡수체를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 탄소나노튜브 숲3, 실리콘 나노콘4, 산화물 나노막대5, 다양한 금속 나노구조6 등은 오늘날 흑체 흡수체에 사용되는 일반적인 나노물질 및 나노구조입니다. 제어된 광학 반응과 메타표면을 갖춘 이러한 인공 하위 파장 구조는 최근 완벽한 흡수체의 잠재적인 후보로 떠올랐습니다. 손쉬운 통합, 초박형 두께 및 고성능을 포함하여 라이트 필드 관리에 있어 메타표면 완전 흡수체의 장점은 많은 연구를 끌어 모았습니다7,8. 금속 패턴, 유전체 스페이서 및 위에서 아래로의 금속 층은 MSPSEA(메타물질 완전 태양에너지 흡수체)9의 전형적인 샌드위치형 구성입니다. 원래 보고된 MSPSEA는 저주파 범위14의 단일 파장10,11,12,13에서 작동하므로 실제 적용 가능성이 제한된다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 따라서 흡수대역폭을 넓히고 응답주파수를 향상시키기 위한 많은 노력이 이루어져 왔다. 응답 빈도를 높이기 위해 단위 셀의 피처 크기가 줄어들 수 있습니다. 흡수 범위를 넓히는 것은 흡수 피크를 겹치거나 공명 품질 인자를 줄이는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 위에서 언급한 목표를 달성하기 위해 다층 구조, 플라즈몬 나노복합체 및 점진적 크기 단위 셀이 모두 조사되었습니다. 흡수체의 성능에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 요소는 흡수체의 재질입니다. TiN, ITO, 흑린22,23,24,25을 포함하여 보다 전통적인 금속 및 유전체를 넘어서는 다른 재료 및 유전체가 광대역 MSPSEA를 구성하는 데 사용되었습니다. 이러한 메타표면은 최근 몇 년 동안 초광대역(UWB) 흡수를 달성할 것으로 예상되며 UV에서 근적외선(NIR) 파장을 포함하는 초광대역 작동 대역에 걸쳐 약 85%의 흡광도를 갖는 것으로 입증되었습니다26. 어려운 생산 및 구성 설계로 인해 MSPA는 이제 초광폭 작업 대역과 높은 흡수율(> 90%)을 동시에 달성할 수 없습니다. UWB의 완벽한 흡수를 위해서는 새로운 재료와 배열이 필요합니다.

플라즈몬 공명 및 광학 결합 특성으로 인해 이러한 완벽한 흡수체에는 정교한 금속이 자주 사용됩니다. 좁은 흡수 스펙트럼은 가장 정교한 금속에 대한 짧은 보관 및 값비싼 비용으로 인해 방해를 받습니다. 수요를 따라잡기 위해서는 더 넓은 스펙트럼을 가진 흡수체가 필요할 것입니다. 티타늄 금속을 사용하여 Lui et al. 전체 파장 범위에 걸쳐 넓은 흡수를 얻을 수 있었습니다. 실온에서도 티타늄은 매우 안정적입니다. 이 내화성 금속의 융점은 화씨 1668도입니다. 또한 티타늄(Ti) 메타물질은 광대역 흡수 기능을 갖는 것으로 나타났습니다29,30. 유전 상수의 허수 성분이 크게 감소했기 때문에 넓은 주파수 범위에서 광 흡수 손실이 발생할 수 있습니다. 플라즈모닉스는 이 때문에 티타늄과 그 복합재의 주요 특징으로 간주됩니다. 티타늄의 플라즈몬 흡수 특성은 이러한 특성에 기인합니다. 반면, 더 높은 온도를 견딜 수 있는 내화 금속은 태양열 흡수재 재료에 더 적합합니다. 티타늄은 금, 은, 구리만큼 풍부하지는 않지만 전세계 매장량이 훨씬 크기 때문에 낮은 매장량과 높은 비용에 대한 우려를 성공적으로 해결할 수 있습니다. 이러한 내화 금속 기반 공진 시스템의 고유한 특성으로 인해 태양 전지 및 열 전달 시스템과 같은 새로운 장비는 물론 기존 장비도 개발될 수 있습니다34,35,36,37,38.