Ultra-broadband high solar absorption in checkerboard-shaped titanium nitride plasmonic metastructures

材料科学 等离子体子 光电子学 吸收(声学) 氮化钛 时域有限差分法 电介质 等离子太阳电池 氮化物 光学 图层(电子) 太阳能电池 纳米技术 聚合物太阳能电池 复合材料 物理 冶金
作者
Shiwen Wu,Ting-Nan Wu,Guoping Xiong
出处
期刊:Optical Materials [Elsevier]
卷期号:116: 111117-111117 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.optmat.2021.111117
摘要

Titanium nitride (TiN) has been proved as an efficient, refractory plasmonic material in solar energy harvesting applications. In this paper, we demonstrate the design of a simple metastructure, including a checkerboard-shaped TiN grating layer embedded in a SiO2 dielectric layer and a TiN film as a reflective layer, to realize highly efficient light absorption for solar energy harvesting. After systematically optimizing the geometric parameters of the metastructure by finite-difference time-domain (FDTD) simulations, we achieve high absorption rates with an average value up to 97% across an ultra-broad spectral range from 0.4 to 2.0 μm, significantly extending the light absorption ranges reported in prior work. Detailed analyses of the electric field elucidate that the unique checkerboard-shaped pattern results in plasmon hybridization between the adjacent TiN nano-ribbons at different resonant wavelengths. Combined with the high absorption due to the dielectric-like nature of TiN and Fabry-Perot resonances, the proposed metadevice achieves excellent light absorption performance within the solar spectrum, exhibiting great potential for various solar energy harvesting applications.

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