基于TiN和TiO2材料的宽带光吸收器的仿真研究

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电磁吸收器的出现满足了人们对电磁波研究利用的需求,它能对电磁波产生吸收的效果。太阳能吸收器是电磁吸收器的一种,也是热光伏发电器件中的一个重要组成部分,但是目前的可见光至近红外波段的吸收器存在吸收带宽较窄、加工方式复杂、对入射角度敏感以及难以应用到高温领域等问题。基于以上问题,本文开展了如下工作:本文首先介绍了表面等离子体共振效应、磁激元共振和电介质腔共振效应的基本概念,然后介绍了电磁吸收器不同的结构设计和不同的材料在微波、太赫兹、红外以及可见光波段中的应用,并以氮化钛(TiN)和二氧化钛(TiO2)两种耐火材料为基础,分别设计了一种金字塔状光栅型宽带吸收器和一种凹槽状光栅型超宽带吸收器。研究采用有限元法(FEM)对吸收器在可见光至近红外波段的吸收特性进行了分析。本论文的主要工作内容如下:设计了一种金字塔状光栅型可见光至近红外线波段的超宽带电磁吸收器,利用有限元法研究了其单元结构的几何参数的改变对吸收曲线的影响效果。研究结果表明,结构几何参数的改变可以直接影响其吸收特性的改变。通过改变结构参数可以使其吸收特性发生明显的改变。在500~2000nm波段内,该吸收器在0°~75°的入射角度范围内的吸收效率可以达到80%以上,实现了超宽带吸收的效果。并且当单元结构的顶层形状采用半球形结构时,该吸收器的平均吸收率得到显著提高。设计了一种槽深渐变的光栅型可见光至近红外线波段的超宽带光吸收器。该吸收器利用电介质腔共振效应和表面等离子共振效应对入射电磁波进行吸收。采用有限元法分析了单元结构的周期、凹槽深度、凹槽宽度、涂层厚度和凹槽个数对吸收曲线的影响。在优化结构参数条件下,在500~2000nm的波段范围和0~80°的入射角范围内,该吸收器的平均吸收率可达到90%以上。通过比较发现,凹槽顶部和底部采用半圆柱形结构时,其吸收性能表现更好。本文提出的电磁吸收器实现了超宽带吸收,具有高温耐久性,并能表现出良好的角度不敏感性,对结构进行优化使其吸收效果更优,并且制作相对简单,对吸收器的设计提供了参考的作用,有望应用于热光伏系统。
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