CN220567528U - 基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器属于微纳光电子技术领域；所述太阳能吸收器，吸收平面波入射的太阳光，由多个相同的单元结构在XOY平面周期性排列而成，每个所述单元结构由下到上依次包括基底层、缓冲层和天线层；所述天线层由下到上依次包括金属层和非金属层，所述金属层和非金属层的形状和大小完全一致；所述基底层和缓冲层向XOY平面的投影形状为相同的正方形，所述天线向XOY平面的投影形状为工字形和十字形；本发明结构简单，在451nm～1449nm的宽带范围内可以达到93.77％的平均吸收率，并且本发明在不同的偏振光入射和不同入射角入射时都有较好的吸收效果。
Description
技术领域
本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器属于微纳光电子技术领域。
背景技术
超表面是一种由人工设计的周期排列的结构，其因为具有特殊的电磁特性、可调折射率、非对称传输等特点，常被用作制备高效电磁波吸收器，可用于吸收太阳能。然而，太阳光频谱宽，入射角度变化大，在这种情况下，如何高效利用太阳能就成为超表面结构的一大研究课题。
目前，实现宽带吸收的典型方法是在细胞结构中布置多个金属谐振器，因为这些谐振器具有不同的峰吸收位置。宽带吸收是通过叠加这些由不同的金属谐振器产生的吸收峰来实现的。但这种方法也有其局限性。由于不同谐振器之间的竞争效应，谐振器的数量受到了限制。此外，贵金属由于其等离子体共振和光耦合特性，被广泛用于制造各种吸收器。然而，贵金属的高成本和低自然储量并不适合大规模加工，因此需要找到一种更常用的制备吸收器的方法。自2008年金属-绝缘体-金属结构被提出以来，超材料已被用于窄带或宽带吸收器的开发。近年来种类繁多的太阳能超结构吸收器逐渐被各国学者设计出来，但是大多数吸收器都存在一些缺点，如宽带性能差，吸收率低或吸收带宽不能匹配太阳光谱的能量分布，导致吸收效果不高等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，结构简单，在451nm～1449nm的宽带范围内可以达到93.77％的平均吸收率，并且本发明在不同的偏振光入射和不同入射角入射时都有较好的吸收效果。
本发明的目的是这样实现的：
基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，吸收平面波入射的太阳光，由多个相同的单元结构在XOY平面周期性排列而成，每个所述单元结构由下到上依次包括基底层、缓冲层和天线层；所述天线层由下到上依次包括金属层和非金属层，所述金属层和非金属层的形状和大小完全一致；
所述基底层和缓冲层向XOY平面的投影形状为相同的正方形，所述正方形的边界与X轴和Y轴平行，所述天线向XOY平面的投影形状为工字形和十字形，所述工字形的横与竖分别平行于X轴和Y轴，且工字形位于正方形中间位置，所述十字形的横与竖相交于缓冲层的边界中心，且十字形的竖与缓冲层边界重合。
上述的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，其特征在于，
所述基底层在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度大于0.5μm；
所述缓冲层在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度为0.07μm；
在天线层中，所述金属层和非金属层的高度都为0.02μm，在所述工字形中，横的长度均为0.2μm，宽度均为0.08μm，竖的长度为0.2μm，宽度为0.08μm，在所述十字形中，横和竖的长度均为0.18μm，宽度均为0.05μm，所述工字形和所述十字形的中心距离为0.2μm。
有益效果：
第一、本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，只包括基底层、缓冲层和天线三个部件，相比于其他太阳能吸收器，具有结构简单、易于加工的技术优势。
第二、本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，在光源以不同偏振入射时，吸收器都有较好的吸收效果，具有偏振不敏感的技术优势。
第三、本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，在451nm～1449nm的宽带范围内平均吸收率可达93.77％，相比于其他太阳能吸收器相比，具有宽带和高吸收率的技术优势。
附图说明
图1是本发明基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器的结构示意图。
图2是单个单元结构的结构示意图。
图3是单个单元结构的参数定义示意图。
图4为本发明仿真软件界面截图。
图5为图4中的吸收效果曲线图。
图6为工字形天线上、下边长度变化时的吸收率曲线。
图7为工字形天线上、下边宽度变化时的吸收率曲线。
图8为光源入射角在0°～45°变化时吸收器的吸收率曲线。
图9为光源偏振角在0°～90°变化时吸收器的吸收率曲线。
图中：1基底层、2缓冲层、3天线层、3-1金属层、3-2非金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细介绍。
具体实施方式一
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，吸收平面波入射的太阳光，由多个相同的单元结构在XOY平面周期性排列而成，如图1所示，每个所述单元结构由下到上依次包括基底层1、缓冲层2和天线层3；所述天线层3由下到上依次包括金属层3-1和非金属层3-2，所述金属层3-1和非金属层3-2的形状和大小完全一致，如图2所示；
所述基底层1和缓冲层2向XOY平面的投影形状为相同的正方形，所述正方形的边界与X轴和Y轴平行，所述天线3向XOY平面的投影形状为工字形和十字形，所述工字形的横与竖分别平行于X轴和Y轴，且工字形位于正方形中间位置，所述十字形的横与竖相交于缓冲层2的边界中心，且十字形的竖与缓冲层2边界重合；
所述基底层1的材料为钛，所述缓冲层2材料为二氧化硅，所述金属层3-1的材质为钛，所述非金属层3-2的材质为氮化钛。
上述的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，参数定义示意图如图3所示，
所述基底层1在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度大于0.5μm；
所述缓冲层2在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度为0.07μm；
在天线层3中，所述金属层3-1和非金属层3-2的高度都为0.02μm，在所述工字形中，横的长度均为0.2μm，宽度均为0.08μm，竖的长度为0.2μm，宽度为0.08μm，在所述十字形中，横和竖的长度均为0.18μm，宽度均为0.05μm，所述工字形和所述十字形的中心距离为0.2μm。
具体实施方式二
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，在具体实施方式一的基础上，采用FDTD-Solutions软件，对天线3中金属层3-1和非金属层3-2的结构参数、光源入射角、光源偏振角等变量对吸收率的影响进行仿真测试，仿真界面如图4所示，图4中的吸收效果曲线如图5所示，并利用以下公式计算出平均吸收率结果为93.77％。
其中，为吸收器的平均吸收率，λ为入射光的波长，A为吸收器吸收器强度随入射光波长变化的函数。
具体实施方式三
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，对工字形天线的上、下边长度进行仿真测试，当长度从0.12μm变化到0.28μm，吸收率曲线情况如图6所示，可以看出，随着长度增加，短波长处吸收峰发生蓝移，长波长处吸收峰值基本不变，整体吸收率呈现上升趋势，当长度大于0.2μm时吸收率大于90％的带宽范围变窄。
具体实施方式四
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，对工字形天线的上、下边长宽度进行仿真测试，当宽度从0.12μm变化到0.28μm，吸收率曲线情况如图7所示，可以看出，随着宽度增加，短波长处吸收峰发生红移，峰值高度基本不变，长波长处吸收峰值升高，位置基本不变。
具体实施方式五
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，在具体实施方式一的基础上，分别在0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°入射角的情况下，对太阳光入射的角度变化对吸收率的影响进行仿真测试，如图8所示，在改变光源入射角时吸收率整体呈现下降趋势，在光源以45°角度入射时吸收率为89.7％。
具体实施方式六
该具体实施方式下的基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，在具体实施方式一的基础上，分别在0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°偏振角的情况下，对太阳光偏振角度变化对吸收率的影响进行仿真测试，如图9所示，在改变光源偏振角时吸收率整体呈现下降趋势，当光源以90°偏振角入射时吸收率为91.8％。
Claims (1)
1.基于工字形结构和十字形结构天线的太阳能吸收器，吸收平面波入射的太阳光，其特征在于，由多个相同的单元结构在XOY平面周期性排列而成，每个所述单元结构由下到上依次包括基底层(1)、缓冲层(2)和天线层(3)；所述天线层(3)由下到上依次包括金属层(3-1)和非金属层(3-2)，所述金属层(3-1)和非金属层(3-2)的形状和大小完全一致；
所述基底层(1)和缓冲层(2)向XOY平面的投影形状为相同的正方形，所述正方形的边界与X轴和Y轴平行，所述天线层(3)向XOY平面的投影形状为工字形和十字形，所述工字形的横与竖分别平行于X轴和Y轴，且工字形位于正方形中间位置，所述十字形的横与竖相交于缓冲层(2)的边界中心，且十字形的竖与缓冲层(2)边界重合；
所述基底层(1)在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度大于0.5μm；
所述缓冲层(2)在XOY平面上的投影尺寸为0.4μm×0.4μm，高度为0.07μm；
在天线层(3)中，所述金属层(3-1)和非金属层(3-2)的高度都为0.02μm，在所述工字形中，横的长度均为0.2μm，宽度均为0.08μm，竖的长度为0.2μm，宽度为0.08μm，在所述十字形中，横和竖的长度均为0.18μm，宽度均为0.05μm，所述工字形和所述十字形的中心距离为0.2μm。
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