Зеркало

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 19984 (2016) Цитировать эту статью

3491 Доступов

42 цитаты

Подробности о метриках

Мы представляем здесь широкополосный, широкоугольный и почти идеальный поглотитель, независимый от поляризации, состоящий из нанопористого оксида алюминия с зеркальной подложкой. Путем электрохимического анодирования неупорядоченного многокомпонентного алюминия и правильного подбора толщины и воздухонаполняющей фракции нанопористого оксида алюминия, согласно теории смеси Максвелла-Гарнета, можно получить темный оксид алюминия большой площади с превосходными фототермическими свойствами и поглощением более 93% широкий диапазон длин волн от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового света, т.е. 250–2500 нм. Измеренное поглощение на несколько порядков выше, чем у других анодированных пористых оксидов алюминия, обычно полупрозрачных при аналогичных длинах волн. Однако этот простой, но эффективный подход не требует какой-либо литографии, осаждения наномосмесей, предварительной и последующей обработки. Здесь мы также предусматриваем и теоретически исследуем практическое использование предлагаемых поглотителей и/или фототермических преобразователей в интегрированных термоэлектронных и/или термофотоэлектрических устройствах преобразования энергии, которые позволяют эффективно использовать весь спектр окружающего видимого излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Преобразование окружающего электромагнитного излучения, такого как солнечный свет, излучение абсолютно черного тела и радиоволны электронных передатчиков, в электричество можно реализовать с помощью различных методов, таких как фотоэлектрические (PV)1,2,3, термоэлектрические (TE)4, термофотоэлектрические ( ТПВ)5,6,7, термоэлектронное преобразование (ТП) (или термоэлектроника)8,9,10,11 и выпрямление электромагнитных волн12,13,14. Среди них методы TC и TPV считаются высокоэффективными методами, которые собирают энергию фотонов солнечного света и теплового излучения в широком диапазоне энергий фотонов (от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) длин волн) и преобразуют их в тепловую энергию с последующим прямой процесс преобразования тепла в электричество. В идеале солнечные элементы TC и TPV могут преодолеть фундаментальные проблемы обычных фотоэлектрических солнечных элементов за счет эффективного использования всего солнечного спектра5,6,7,8,9,10. Термоэмиссионный преобразователь, показанный на рис. 1(а), основан на довольно простом вакуумном микродиоде, в котором горячий электрод (эмиттер), нагретый сфокусированным солнечным излучением или тепловым излучением, может термоионно эмитировать электроны через потенциальный барьер к более холодному электроду (коллектору). , тем самым производя полезную электроэнергию8,9,10,11. Ячейка TPV, показанная на рис. 1(b), работает несколько более сложным образом: поглощенное тепло сначала преобразуется в узкополосное тепловое излучение с помощью частотно-селективного излучателя, а затем повторно излучается электромагнитная энергия с длиной волны, согласованной с длиной волны, соответствующей длине волны. запрещенная зона фотоэлектрических приемников преобразуется в электрическую энергию без потерь от термализации или джоулева нагрева5,6,7. В целом, солнечные панели TC и TPV требуют чрезвычайно больших оптических концентраторов, а также громоздких механических трекеров для обеспечения достаточно высоких температур. Высокая интенсивность излучения накачки, необходимая для эффективного преобразования энергии, делает применение устройств TC и TPV особенно сложным с точки зрения стоимости, эффективности и надежности. Считается, что значительные улучшения в этих областях могут быть достигнуты путем разработки почти идеального поглотителя электромагнитной энергии, который может обеспечить широкополосное, широкоугольное и независимое от поляризации поглощение15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27, а также отличные фототермические свойства.

Схемы (а) термоэлектронных и (б) термофотоэлектрических микроустройств, использующих нанопористый поглотитель из оксида алюминия с зеркальной подложкой, который может быть легко интегрирован с электронным или тепловым эмиттером в зависимости от применения.

С быстрым появлением нанотехнологий разработка высокоэффективных и компактных просветляющих покрытий или поверхностных поглотителей стала жизнеспособной с использованием нанофотонных методов: фотонных наноструктур18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 , фотонные кристаллы30,31 и метаматериалы15,16,17. Стремясь облегчить использование устройств преобразования энергии TC и TPV, мы разрабатываем простой и экономически эффективный химический способ изготовления высокоэффективного поглотителя большой площади, изготовленного с использованием нанопористой пленки оксида алюминия поверх коммерческого алюминия 6061-T6. (Al) подложка. Этот поглотитель может демонстрировать поглощение более 93% в широком диапазоне длин волн (250–2500 нм) и углов падения (0–90 °) как для поперечной электрической (TE), так и для поперечной магнитной (TM) поляризации. Такие характеристики сопоставимы или превосходят предыдущие разработки18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. Однако предлагаемый подход может иметь преимущества перед традиционными литографическими наноструктурами с точки зрения высокой производительности, низкой стоимости, больших площадей рисунка и возможности интеграции в системы термоэлектроники и термофотоэлектротехники. Следует также отметить, что эта зеркальная конструкция может иметь двойные функции. За исключением того, что задняя металлическая поверхность действует как эффективный поглотитель/фототермический преобразователь, который поглощает электромагнитную энергию и преобразует ее в тепло путем повышения температуры подложки, ее можно наноинженерировать для реализации эффективных термоэлектронных эмиттеров электронов или тепловых переизлучателей в ТК и Устройства ТПВ.