توری های مستطیل شکل ساده به عنوان یک الگوی "ضد انعکاس" در نزدیکی میدان برای سلولهای TPV GASB

ما از لحاظ تئوریکی نشان می دهیم که توری های مستطیل شکل 2D روی سطح GASB می تواند به عنوان یک الگوی "ضد انعکاس" برای دستگاه های Nano-GAP Thermophotovoltaic (TPV) عمل کند ، که به طور قابل توجهی شار تابشی نزدیک به میدان را از امیتر به سلول گاز افزایش می دهد ، بنابراین باعث بهبود می شود. قدرت خروجی و راندمان تبدیل. سیستم در این مطالعه یک سیستم تولید برق TPV 200 نانومتری با یک پلاسمون مادون قرمز پلاسمونی و سلول GASB است. از تجزیه و تحلیل موج همراه دقیق برای محاسبه شار تابشی در نزدیکی میدان طیفی که شامل ساختارهای دوره ای است ، استفاده می شود. این شبیه سازی نشان می دهد که هنگامی که با یک انتشار دهنده فله پلاسمونی نزدیک به مادون قرمز همراه است ، اضافه کردن توری در سطح سلول GASB منجر به تقویت طیفی قوی در بالای باند سلول و سرکوب برای انتقال فوتون با انرژی کم می شود ، اثری که نمی تواند به طور کامل توسط مؤثر پیش بینی شودنظریه متوسط. شار گرمای طیفی اوج حاصل 2. 8 برابر بیشتر از موارد بدون ساختار سطح است و راندمان انتقال تابشی از 14. 5 ٪ اصلی با دمای انتشار در 1800 K به 24. 8 ٪ افزایش یافته است. تأثیر پارامترهای هندسه گریتینگ در تقویت و افزایشفرکانس اوج بیشتر با محاسبه دقیق توزیع مکانی انتقال تابشی حرارتی که بینش مکانیسم فیزیکی را فراهم می کند ، مورد بحث قرار می گیرد.

معرفی

یک دستگاه TPV با تبدیل فوتون های ساطع شده از انتشار با درجه حرارت بالا از طریق یک سلول PV کمربند ، که معمولاً توسط مواد نیمه هادی گروه III-V ساخته شده است ، برق تولید می کند. امیتر را می توان با طیف گسترده ای از منابع انرژی از جمله گرمای زباله صنعتی 1 ، انرژی خورشیدی 2 و میکرو رادیوایزوتوپ 3 گرم کرد. بنابراین ، سیستم های TPV وعده تبدیل قدرت آرام و با راندمان بالا را برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی 4 می دهند. TPV نانو-شکاف ، که در آن انتشار دهنده و سلول با یک شکاف زیر میکرومتر از هم جدا می شوند ، با استفاده از مؤلفه evanescent از انتقال تابش حرارتی ، معروف به تابش نزدیک به میدان ، پتانسیل افزایش قابل توجهی در قدرت خروجی را دارد. انتقال 5 ، 6. آزمایشات نشان داده است که جریان مدار کوتاه یک دستگاه TPV به طرز چشمگیری افزایش یافته است که شکاف به 1. 8 میکرومتر 7 کاهش یابد.

یک مسئله مهم در دستگاه های TPV کنترل طیفی تابش حرارتی است. فوتونهای ساطع شده حرارتی با انرژی کمتر از باند سلول نمی توانند به الکترونها تبدیل شوند و فوتون هایی با فرکانس بسیار بالاتر از باند با بهره وری کامل تبدیل نمی شوند. هر دو مورد منجر به از بین رفتن کارآیی و گرمایش خطرناک سلول خواهد شد. بنابراین ، هدف این است که به طور انتخابی به شار گرمای تابشی بالا کمی بالاتر از باند سلول دست یابیم. اگرچه دستکاری شار تابشی طیفی نزدیک به میدان در بسیاری از سیستم ها نشان داده شده است ، اما طرح های عملی با هدف سیستم های TPV هنوز کمیاب هستند ، عمدتاً به این دلیل که گروه های معنادار گروه III-V ، به طور معمول GASB ، به عنوان سلولهای TPV در نزدیکی به آنها دارای شاخص های انکسار زیادی هستندمنطقه طیفی میانی IR و فاقد هرگونه خاصیت پلاسمونی ، که منجر به ضرایب بازتاب زیاد فرسن می شود و آنها را جذب کننده حرارتی ضعیف می کند. 8. از آنجا که شار گرمای طیفی نزدیک به میدان با استفاده از خواص نوری اتصال مواد از هر دو طرف تعیین می شود ، جذب ضعیف GASB تا حد زیادی بر دشواری طراحی طیفی برای بهبود قدرت خروجی و کارآیی یک سیستم TPV نزدیک به میدان می افزاید. اگرچه انواع دیگری از مواد با پتانسیل PV و جذب بالاتر به عنوان نامزدهای سلول TPV ایده آل مانند 8 ، مانند نانولوله کربن پیشنهاد شده است ، این استراتژی در حال حاضر عملی نیست و طرح های TPV فعلی هنوز هم بیشتر در نیمه هادی های گروه II I-V قرار دارند. چانگ و همکاران. 9 زوج یک انتشار دهنده metametarial hyperbolic metametarial (HMM) و یک سلول IngasB با فیلم نازک که با یک شکاف خلاء 20 نانومتری از هم جدا شده اند. محاسبه با استفاده از تئوری متوسط مؤثر (EMT) که شامل شار تابشی افزایش یافته در بالای باند سلول به دلیل انتشار HMM و سرکوب انتقال تابش طول موج طولانی به دلیل بازتاب کل داخلی سلول است. تانگ و همکاران. 10 با استفاده از فیلمهای نیمه هادی اولتراتین با بازتابنده های کامل به عنوان انتشار دهنده های حرارتی و سلولهای PV که به عنوان "چاه حرارتی" با محدود کردن فوتون ها در حالت های موجبر به دام افتاده عمل می کنند ، برای ایجاد شار تابشی طیفی انتخابی بالا بین انتشار دهنده و سلول پیشنهاد می شود. کارالیس و همکاران. 11 یک روش "فشرده سازی" برای برداشت انرژی تابشی در نزدیکی میدان با اتصال یک انتشار دهنده پلاسمونیک مادون قرمز و یک سلول فیلم اولتراتین ، که در آن دامنه طیفی شار تابشی با انتخاب فرکانس پلاسما از نرم کننده و حالت های موجبر در داخل نازک محدود می شود. سلو ل-فیلم.

مطالعات ذکر شده در بالا متمرکز بر جایگزینی نیمه هادی فله با سلولهای فیلم نازک برای محدود کردن شار گرمای تابشی با فرکانس پایین و همچنین طراحی مواد انتشار دهنده بر این اساس برای دستیابی به شار تابشی بالا در بالای باند سلول ، که ممکن است شامل تلاش برای اعمال ریزساختارها بر روی آن باشد. طرف امیتربا این وجود تحقیقات کمی در مورد تأثیر ریزساختارها در سلول نیمه هادی انجام شده است.

برای تبدیل PV خورشیدی و سیستم های TPV دوربرد ، میکرو ساختارهای مختلفی برای سلول نیمه هادی به عنوان الگوهای ضد انعکاس سطح برای بهبود جذب طراحی شده اند. با این حال ، طرح های مشابه هنوز در یک سیستم TPV نانو-شکاف مورد مطالعه قرار نگرفته است ، نه تنها به دلیل دشواری در محاسبه شار تابشی نزدیک به میدان شامل اشیاء ساختاری ، بلکه به دلیل افزایش پیچیدگی مکانیسم های فیزیکی. در نتیجه ، استراتژی های ضد انعکاس دور از میدان ممکن است در انتقال تابشی نزدیک به میدان و برعکس اعمال نشود. به عنوان مثال ، ایجیرو و همکاران. 12 به طور تجربی نشان داد که میکرو گاوچران ضد انعکاس دور از میدان ، انتقال تابشی نزدیک به میدان را سرکوب می کند زیرا شکاف به اندازه زیر میکرون کاهش می یابد. Chalabi و همکاران. 13،14،15 شبیه سازی ارائه شده است که نشان می دهد 1D توری در SIC باعث افزایش شار تابشی نزدیک به میدان و کاهش انتقال تابش FAR-FIELD می شود. این خصوصیات رفتار انتقال تابشی بسیار متفاوت بین اثرات نزدیک به میدان و میدان دور عمدتاً به دلیل مشارکت امواج فرسوده با بردارهای موج جانبی بزرگ است که در سناریوهای دوربرد وجود ندارند و به دلیل مسیر تابشانتقال قابل مقایسه با اندازه مشخصه ریزساختارها ، به این معنی که افزودن ساختارهای سطحی ممکن است فاصله شکاف مؤثر بین دو شی را به طور قابل توجهی تغییر داده و همچنین الگوهای طیفی و مکانی انتقال تابشی را برای شکافهای اندازه نانو تغییر دهد.

بنابراین، هدف از این کار ایجاد یک ساختار سطحی "ضد بازتاب" میدان نزدیک است که مشابه همتایان میدان دور خود در سرکوب انعکاس جاذب نیمه هادی و افزایش شار حرارتی بالای شکاف سلول است و برایتنظیمات میدان نزدیک با در نظر گرفتن یک مسیر انتقال تابشی زیر میکرون و مشارکت امواج فزاینده. ما یکی از ساده ترین ساختارهای سطحی، یک توری مستطیلی دوبعدی را انتخاب می کنیم، که نشان داده شده است که جذب گاز فله ای را در رژیم میدان دور بهبود می بخشد. مطالعات اخیر بیشتر قابلیت توری ها را در تغییر قابل توجه توزیع انرژی طیفی انتقال تابشی میدان نزدیک بین فلزات 17،18،19، دوپ شده-Si 20 و مواد قطبی 21، 22 نشان داده است. با این حال، افزودن توری به نیمه هادی های گروه III-V به عنوان جاذب تاکنون مورد بحث قرار نگرفته است. برای تابشگر حرارتی، یک ماده پلاسمونیک مادون قرمز (GZO) به دلیل توانایی آن در تحریک امواج سطحی قوی مطابق با فاصله باند سلول و در نتیجه افزایش انتقال تابش میدان نزدیک توسط حالت های ناامید استفاده می شود. سیستم نانو شکاف TPV مورد مطالعه دارای یک شکاف خلاء 200 نانومتر است که در حال حاضر از نظر تجربی عملی است 23، 24. تجزیه و تحلیل موج جفت شده دقیق (RCWA)، یک روش متداول برای تجزیه و تحلیل خواص نوری گریتینگ، به رژیم انتقال تابشی میدان نزدیک از طریق دینامیک نوسانی و ماتریس های پراکندگی گسترش یافته است. نتایج با توری های اضافه شده با تنظیمات مسطح مقایسه شده و مکانیسم های فیزیکی توضیح داده شده است.

نتایج

انتخاب مواد و ساختار توری_gسیستم محاسبه شده انتقال تابش میدان نزدیک از 2 قسمت ساطع کننده حرارتی و جاذب تشکیل شده است. جاذب یک سلول GaSb حجیم با فاصله باند 0. 726 eV (ω) است.

= 1. 1 × 10 15 rad/s). پارامترهای نوری GASB با استفاده از یک مدل جهانی برای نیمه هادی های II I-V 25 محاسبه می شود. emitter به عنوان یک ماده پلاسمونی با فرکانس پلاسمونی آن کمی بالاتر از باند سلول انتخاب شد ، که باعث می شود تحریکات موج سطح قوی در محدوده فرکانس تعیین شده برای به حداکثر رساندن بهره وری انتقال تابشی 11 باشد. در این کار ، پارامترهای نوری از داده های تجربی GA گرفته شده است: ZnO (GZO) 26 ، که دارای فرکانس پلاسمونی نزدیک مادون قرمز (NIR) (10 × 10 15 RAD/S) و نقطه ذوب بالا برای توجه به نیاز است. برای یک TPV Emitter. شکل 1 نتیجه تحلیلی شار گرمای تابشی بین GZO فله و GASB را در مقایسه با سایر تنظیمات ، محاسبه شده توسط معادلات (1) - (6) در روش ها نشان می دهد. در مقایسه با انتشار دهنده های فلزی نسوز ، با استفاده از یک انتشار دهنده پلاسمونی NIR ، شار تابشی طیفی را به طور انتخابی بالاتر از باند سلول امکان پذیر می کند ، که منجر به شار تابشی مؤثر بالاتر (تعریف شده در روش ها) در شکاف های خلاء زیر میکرون می شود. با این حال ، انتخاب طیفی جفت GZO-GASB هنوز هم در مقایسه با جفت GZO-GZO به دلیل ضرایب بازتاب بالا GASB و بدون خاصیت پلاسمونی مطابق با پلاسمونیک با امیتر ، به طور قابل توجهی پایین تر است._PVنتیجه تحلیلی انتقال تابشی بین GZO و GASB در مقایسه با سایر تنظیمات.(الف) شار تابشی طیف عادی برای شکاف خلاء D = 200 نانومتر.(ب) شار تابشی طیفی از یک گلدان 1800 K به یک گاز 300 K در D = 200 نانومتر. ج) قدرت الکتریکی آشکار P

از یک انتشار دهنده 1800 K به یک سلول گاز 300 K در شکاف های مختلف خلاء.

برای سرکوب بازتاب جاذب گاز ، ساختارهای گریتینگ مستطیل شکل 2D به عنوان یک ساختار "ضد انعکاس" در نزدیکی میدان به سطح بالای GASB اضافه می شوند (شکل 2) ، که توسط 3 پارامتر هندسه ، دوره λ ، خط الراس تعیین می شود. طول A ، و عمق کانال h. اندازه کاراکتر در امتداد جهت x و y یکسان است. نسبت پر کردن f از توری f = (a /λ) 2 است. فاصله جدایی بین سطوح بالای GZO و GASB D = 200 نانومتر است.

تصویر پیکربندی هندسه ، پارامترهای ساختاری و مختصات اختصاص یافته.

افزایش طیفی شار تابشی_gاین شبیه سازی روش RCWA را با دینامیک نوسان و روش ماتریس پراکندگی یکپارچه می کند (توضیحات و اعتبار سنجی را در روش ها مشاهده کنید). تأثیر افزودن سازه های توری سطح به GASB بر روی شار تابشی q (ω) در شکل 3 (a) نشان داده شده است. در مقایسه با مورد مسطح ، GASB با ساختارهای رنده مستطیل شکل جذب قابل توجهی بالاتر از انرژی تابشی بالاتر از Ω را نشان می دهد

و انتقال تابشی سرکوب شده در زیر آن ، بنابراین اثر انتخابی ضد انعکاس انتخابی نانو الزام را اثبات می کند._g(الف) مقایسه شار تابشی طیفی q (ω) برای جذب کننده گاز با و بدون توری سطح (پارامترهای ساختاری نشان داده شده در شکل).(ب) تأثیر دوره توری ، λ ، با A /λ = 0. 5 و H = 200 نانومتر.(ج) تأثیر نسبت پر کردن توری ، با λ ثابت = 200 نانومتر و H = 200 نانومتر. نتایج EMT مربوطه در خطوط متراکم با رنگ و باند GasB ω نشان داده شده است

مشخص شده است_{برای نشان دادن تأثیر پارامترهای ساختاری با وضوح بهتر ، شکل 3 (b) و (c) نسبت شار تابشی طیفی را در مورد توری ، q نشان می دهد}چریده_{(ω) و مورد مسطح ، q}مسطح

(ω). با توجه به طول مشخصه کوچک توری های مورد استفاده ، محاسبات EMT 27 ، 28 نیز به عنوان نتایج مرجع ترسیم می شوند. شکل 3 (ب) تأثیر λ را نشان می دهد که نسبت پر کردن و ارتفاع توری ثابت است. در A /λ = 0. 5 ، فرکانس برای حداکثر پیشرفت 10 15 Rad /s 15 Rad /s است و با λ مختلف بدون تغییر باقی می ماند. از آنجا که دوره از 600 نانومتر کاهش می یابد ، افزایش اوج طیفی تا زمانی که λ به 200 نانومتر برسد ، افزایش می یابد ، هنگامی که شار تابشی طیفی نیز به پیش بینی EMT نزدیک می شود ، با افزایش حداکثر نسبی 2. 8 برابر تنظیم مسطح. کاهش دوره بیشتر تغییر معنی داری در الگوهای طیفی نشان نمی دهد. نتایج نشان می دهد که فرکانس اوج عمدتاً توسط A /λ تعیین می شود ، که می تواند تقریباً توسط EMT پیش بینی شود ، اگرچه برای دوره های طولانی تر ، تأثیر ناهمگونی قوی تر می شود ، که باعث می شود تداوم انتشار موج جانبی در لایه سطح GASB شکسته شود و باعث شودنتیجه متفاوت از EMT.

شکل 3 (c) تأثیر A /λ را در فرکانس اوج با یک دوره ثابت نشان می دهد. با افزایش A /λ ، پیشرفت اوج به سمت فرکانس پایین تر تغییر می کند ، که با پیش بینی EMT موافق است. با این حال ، برای نسبت پر کردن بزرگتر که نسبت ابعاد کانال های توری بیشتر می شود ، نتایج سختگیرانه از تخمین EMT منحرف می شود ، حتی اگر اندازه مشخصه مورد نظر در مقایسه با طول موج مورد مطالعه به اندازه کافی کوچک باشد. برای مدت طولانی تر ، این انحراف آشکارتر شد ، همانطور که در شکل S3 در مواد تکمیلی با λ = 400 نانومتر نشان داده شده است.

در کلیه موارد مورد مطالعه ، شار تابشی به طور کلی در بالای باند GASB افزایش یافته و تا حدودی در زیر آن سرکوب می شود ، که در کل نشان می دهد که شار تابشی طیفی دستکاری شده به نفع بازده تبدیل TPV بالاتر است.

توزیع انرژی تابشی در طول بردار موج_{شکل 3 نشان می دهد که برای یک دوره کوتاه مدت و A /λ پایین ، محاسبه دقیق نتایج بسیار مشابهی با EMT به دست می آورد ، نشان می دهد که گریت سطح به خوبی می تواند با یک لایه همگن با شاخص های مؤثر مشخص شود ، که با کاهش قابل توجهی ضریب بازتاب را کاهش می دهدشاخص های انکسار (شکل S2). برای توضیح پیشرفت توسط تورینگ با A /λ بزرگتر و همچنین انحراف از EMT ، ما توزیع انرژی تابشی در طول بردار موج هواپیما K را با نشان دادن ضریب انتقال ξ (K ، ω) محاسبه شده با یک روش دقیق و EMT در شکل بررسی کردیم. 4. توجه داشته باشید که از آنجا که RCWA فقط با اولین منطقه بریلوین سروکار دارد و از انبساط موج استفاده می کند تا بردارهای موج خارج از این منطقه را به خود اختصاص دهد ، نتیجه ξ (k ، ω) مجموع ضریب انتقال برای همه k = k است}0

± (2 Mπ /λ ، 2 Nπ /λ) که M و N عدد صحیح هستند و می توانند از 1 بزرگتر باشند. نتایج مربوط به موارد مسطح و توسط EMT نیز براساس توضیحات بهتر پردازش می شوند._kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k}حرف

= 0) برای λ = 400 نانومتر و H = 200 نانومتر.(الف) مسطح.(ب) a /λ = 0. 5.(ج) a /λ = 0. 8.(د) و (ه) نتیجه EMT مربوط به (b) و (c) را نشان می دهد._kایکس_kΛ _kایکس

/ π → 1 (کانال های توری) در 10 × 10 15 rad/ s ، که توسط EMT پیش بینی نشده است. این نشان می دهد که در این حالت ، کانال های توری نسبت به مورد نسبت پر شدن پایین تر ، رزونانس قوی تری ایجاد می کنند ، که منجر به افزایش شار تابش شده و با محاسبه EMT نمی توان به طور کامل پیش بینی کرد._kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k}حرف_kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k}حرف

± (2 Mπ /λ ، 2 Nπ /λ) که M و N عدد صحیح هستند و می توانند از 1 بزرگتر باشند. نتایج مربوط به موارد مسطح و توسط EMT نیز براساس توضیحات بهتر پردازش می شوند._kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k}حرف

توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (K ، ω) در فرکانس اوج برای λ = 400 نانومتر و H = 200 نانومتر.(الف) a /λ = 0. 8 در 10 × 1. 3 15 rad /s.(ب) a /λ = 0. 5 در 10 1. 3 15 rad /s.(ج) A /λ = 0. 5 در 10 × 1. 5 15 rad /s.

بحث_PVبرای ارزیابی تأثیر ساختارهای سطح اضافه شده از دیدگاه کاربرد TPV ، ما قدرت الکتریکی آشکار P را محاسبه کردیم_PVو راندمان تبدیل η با استفاده از معادلات (9) و (10) ، که شامل هر دو از دست دادن تابش (برای فوتون هایی با انرژی کمتری نسبت به باند GasB) و از دست دادن حرارتی (برای فوتون هایی با انرژی بالاتر از باند) است اما از دست دادن الکتریکی ناشی از آن نیستنوترکیب EHP. شکل 6 پیشرفت قابل توجهی در قدرت خروجی و راندمان تبدیل نشان می دهد. ساختار توری با پارامترهای بهینه (λ = 200 نانومتر ، A = 150 نانومتر و H = 200 نانومتر) به طور متوسط 75. 4 ٪ افزایش در قدرت خروجی P

برای دمای emitter مورد مطالعه (1000-1800 K). در 1800 K ، راندمان تبدیل از 14. 5 ٪ اصلی به 24. 8 ٪ افزایش می یابد. حداکثر توان خروجی و کارآیی توسط همان مجموعه پارامترهای توری حاصل می شود._PVمقایسه (الف) قدرت خروجی P

و (ب) راندمان تبدیل η برای GASB با و بدون توری (λ = 200 نانومتر ، A = 150 نانومتر و H = 200 نانومتر).

طرح پیشنهادی مزایای عملی دیگری را ارائه می دهد ، زیرا ساختارهای سطحی با کانال های نسبت بسیار بالا با نسبت ابعاد بسیار بالا می توانند توسط نیمه هادی های Etching II I-V 16 ، 29 تولید شوند که ممکن است برای فلزات و انواع دیگر مواد دی الکتریک امکان پذیر نباشد. علاوه بر این ، ریزساختارهایی که ما پیشنهاد کردیم به جای اینکه روی انتشار دهنده حرارتی قرار بگیرند ، در قسمت سرد دستگاه TPV قرار دارند که در آن سازه های ریز در دمای بسیار بالا دچار مشکلات پایداری حرارتی شدید می شوند. سرانجام ، استراتژی مورد بحث ما می تواند به راحتی در دستگاه های TPV که در دماهای مختلف کار می کنند ، با انتخاب از طیف گسترده ای از مواد پلاسمونی مادون قرمز 11 و نیمه هادی های با باند های مختلف 30 ، از جمله انواع سه گانه و کواترنر به دلیل مدل شاخص ضریب شکست بسیار مشابه ، تعمیم داده شود.

تجزیه و تحلیل انتقال تابش با حذف مخاطبین الکتریکی سطح (مانند یک لایه ITO فوق العاده نازک یا نانو الکترودهای AU) 7 و بسترهای رسانا لازم برای استخراج بارهای تولید شده ساده شد. الکترودهای سطح به دلیل جفت شدن موج سطح به انتشار دهنده و تلفات موجود در مواد فلزی باید تأثیر منفی داشته باشند ، در حالی که بستر رسانا به طور معمول با محدود کردن انتقال تابشی با طول موج طولانی به عنوان یک بازتابنده پشتی 10 ، 11 ، بازده را بهبود می بخشد. همچنین ، الگوی نانو سلولهای PV احتمالاً تلفات الکتریکی را از طریق نوترکیب سطح 31 افزایش می دهد اما پیش بینی این اثر به دلیل پیچیدگی تعیین نسل مکانی و نوترکیب EHP ها در این سناریو دشوار است ، بنابراین این اثر خارج از آن است. دامنه این تحلیل. برای کاربردهای عملی ، از روش هایی مانند Passivation Surface 32 ممکن است برای کاهش تلفات الکتریکی برای نیمه هادی های گروه II I-V عمیقاً استفاده شود.

در نتیجه ، ما یک استراتژی "ضد انعکاس" را برای سلولهای گروه III-V که برای دستگاه های TPV نانو-GAP استفاده می شود با استفاده از توری های مستطیل 2D ساده روی سطح سلول ارائه می دهیم. هنگامی که با یک پلاسمونیک IR همراه است ، اضافه کردن ساختارهای توری در GASB باعث افزایش شار تابش طیفی در بالای باند سلول با افزایش حداکثر طیفی در 2. 8 بار و شار تابشی کمی سرکوب شده در زیر باند می شود ، که در کل منجر به بهبود قابل توجهی در خروجی می شود. قدرت و راندمان تبدیل سیستم TPV. شار تابشی طیفی دستکاری شده به دلیل اثر متوسط مؤثر و رزونانس در کانال های رقیق کننده نسبت ابعاد بالا ، بسته به پارامترهای اندازه گریت است. نتیجه این کار یک استراتژی جدید و عملی را برای بهره وری بالاتر سیستم و تولید انرژی برای دستگاه TPV نانو-GAP نشان می دهد.

مواد و روش ها

محاسبه انتقال تابشی نزدیک به میدان

شار گرمای تابشی طیفی Q (ω) از یک امیتر نیمه نامحدود (تعیین شده 1) به یک جاذب نیمه نامحدود (تعیین شده 2) در یک شکاف خلاء (تعیین شده 0) در فرکانس زاویه ای ω و دمای T با یک فرمول دقیق محاسبه می شودبر اساس قضیه نوسانات- تقسیم 5:جایی که (_<_^+_^>= sqrt< m<Theta>>(omega ,T)=hslash omega /[exp (hslash omega /_>>) جزء جانبی بردار موج ، (_Bt) -1] ) میانگین انرژی نوسان ساز پلانک در حالت تعادل حرارتی ، ħ کاهش ثابت پلانک و k است_// 0بولتزمن ثابت است. بیان ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) برای انتشار امواج (k₀= ω / c₀، جایی که c_//>± (2 Mπ /λ ، 2 Nπ /λ) که M و N عدد صحیح هستند و می توانند از 1 بزرگتر باشند. نتایج مربوط به موارد مسطح و توسط EMT نیز براساس توضیحات بهتر پردازش می شوند.₀k

) ، به ترتیب ، توسط 33 تعیین می شود_z0جایی که γ = s ، p حالات قطبش و k را نشان می دهد

مؤلفه z وکتور موج در شکاف خلاء است. نفوذ نسبی ε از مواد می تواند ناهمسانگردانه یک محوره باشد:₁هنگامی که انتشار دهنده و جاذب هر دو حجم همگن هستند ، ضرایب بازتاب میدان r₂و r₀₁می توان در ضریب بازتاب Fresnel در رابط های شکاف خلاء ساده شد₀₂و r

، که برای یک محیط احتمالاً ناهمسانگرد دارای فرمول 9 است_//کجا برای k داده شده_{در ω ، k}Z

برای قطبش S- و p توسط تعیین می شود

برای محاسبه متوسط مؤثر در این کار ، جاذب از 2 لایه تشکیل شده است ، لایه سطح A با ضخامت T و بستر B ، که نیمه نامحدود است. برای این مورد ، ضریب بازتاب R به صورت Ref نوشته شده است. 34₁در مقایسه با فرمولاسیون های دیگر 9 ، 33 ، در این کار ، ما شرایط انتقال را داریم₂= t

= 0 زیرا هر دو انتشار دهنده و جاذب مات و نیمه نامحدود هستند.

در مورد استفاده از EMT به عنوان تقریب برای توری های سطح GASB ، نفوذپذیری لایه مؤثر توسط Refs 27 ، 28 و 35 تعیین می شود< m<Theta>>معادلات (1)-(8) بنابراین محاسبه انتقال تابش را در یک سیستم یک بعدی تکمیل می کند. علاوه بر این ، برای جلوگیری از وابستگی دما ، شار طیف عادی را به عنوان ( bar ( omega) = q ( omega) تعریف می کنیم/(< m<Theta>>( امگا ، _)-

( امگا ، _)) ) همانطور که در شکل 1 (a) نشان داده شده است.₀قدرت انتقال تابش و راندمان سلول PV تقریباً 36 ، 37 با مدل سازی سلول PV به عنوان یک دیود ترمودینامیکی ایده آل که با ولتاژ نزدیک به حد نظری V نزدیک می شود محاسبه می شود._g= ℏ Ω₂(1 - T₁/ t_{)/ ه. تبادل برق تابش ، ص}راد_PV، و تولید برق ، P

، سپس می تواند به صورت محاسبه شود₀جایی که ω₀= EV_PV/ ℏراندمان تبدیل انرژی حاصل ، η = P_{)/ ه. تبادل برق تابش ، ص}راد

، ضررهای تابشی و حرارتی را به خود اختصاص می دهد اما برای از بین رفتن الکتریکی در یک سلول غیر ایده آل نیست. در محاسبه عددی ما ، ( bar ( omega) ) در 0. 1-3. 0 × 10 15 rad/s یکپارچه شده است. شاخص های انکسار مواد ، مگر در مواردی که بیان شده است ، توسط Palik 38 از کتاب راهنما گرفته شده است.

مدل RCWA_kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k} <π /Λ:

حرف_kایکس_{- توزیع ضریب انتقال انرژی ξ (k ، ω) (برای k}حرف