Ανάλυση, μοντελοποίηση και σχεδιασμός ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων λεπτής ταινίας για εφαρμογές απορρόφησης και διαμόρφωσης κυματομορφής στο οπτικό φάσμα
Creators: name: Παπαδημόπουλος, Αθανάσιος Ν.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Μοντελοποίηση, ανάλυση, σχεδιασμός
Απορροφητές λεπτής-ταινίας
Διαμόρφωση κυματομορφής οπτικού φάσματος
Φωτοβολταϊκά λεπτής-ταινίας
Modelling, analysis, design
Thin-film absorbers
Optical wavefront engineering
Thin-film photovoltaics

description: Αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και έννοιες του ηλεκτρομαγνητισμού και περιγράφονται τεχνικές υπολογισμού του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που χρησιμοποιούνται στη διατριβή και ειδικότερα η μέθοδος των ολοκληρωτικών εξισώσεων, η μέθοδος Sommerfeld και οι συναρτήσεις Green. Έπειτα παρουσιάζονται στοιχεία των φωτοβολταϊκών κελιών και των δομών διαμόρφωσης κυματομορφής λεπτής ταινίας στο οπτικό φάσμα ακτινοβολίας. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται απλοί επίπεδοι ηλεκτρομαγνητικοί απορροφητές λεπτής ταινίας. Η γεωμετρία των απορροφητών στηρίζεται στην επίπεδη διστρωματική δομή, όπου το πρώτο ή επάνω στρώμα είναι ημιαγώγιμο ή διηλεκτρικό χαμηλών ή μηδενικών απωλειών, ενώ το δεύτερο ή κάτω στρώμα είναι μεταλλικό. Στο πρώτο στάδιο επεξηγείται ο μηχανισμός απορρόφησης και εισάγεται ο μαθηματικός φορμαλισμός και η μετρική στην οποία βασίζεται η σχεδίαση των διατάξεων. Εξετάζεται μεγάλο πλήθος πιθανών υλικών, ένα ποσοστό εκ των οποίων φαίνεται στον πίνακα της σχεδίασης του κεφαλαίου με τις βέλτιστες δομές. Επίσης, παρουσιάζεται η κατανομή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εντός και πλησίον της δομής για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης και ανταγωνιστικούς συνδυασμούς, ώστε να αξιολογηθεί η ευρυγωνικής πρόσπτωσης υψηλή απόδοση των προτεινόμενων διστρωματικών διατάξεων έναντι μη βέλτιστων σχεδιάσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετώνται, μοντελοποιούνται και σχεδιάζονται φωτοβολταϊκά κελιά λεπτής ταινίας και ενισχυμένης απορροφητικής ικανότητας και απόδοσης, που βασίζονται στη παγίδευση του ηλιακού φωτός εντός του ημιαγωγού με χρήση πλασμονικών νανοσωματιδίων. Αρχικά, παρουσιάζεται η μεθοδολογία σχεδίασης, η οποία συνδυάζει προσεγγιστικές εκφράσεις για την ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση σε δομές λεπτών ταινιών με ημι-αναλυτικές και αριθμητικές τεχνικές υπολογισμού του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε τέτοιου τύπου διατάξεις. Προτείνονται δύο δομές υψηλής απορρόφησης, η πρώτη εκ των οποίων βελτιστοποιείται σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα ενώ η δεύτερη στο υπέρυθρο και ερυθρό φάσμα ακτινοβολίας. Ακολουθεί το στάδιο σχεδίασης των δύο διατάξεων, όπου εξετάζονται ενδελεχώς και επιλέγονται οι διαστάσεις των επιμέρους στρωμάτων λεπτής ταινίας, οι θέσεις των σκεδαστών, οι διαστάσεις των ακτίνων των κυλίνδρων και οι αποστάσεις μεταξύ δύο διαδοχικών νανοσυρμάτων μεταξύ τους, δηλαδή το χωρικό βήμα μίας περιόδου. Στην επόμενη φάση μελετάται η κατανομή της πεδιακής έντασης εντός του πυριτίου, η διαδικασία απορρόφησης, η βελτίωση της απόδοσης και της απορροφούμενης ισχύος από τη φωτοβολταϊκή δομή. Το αντικείμενο του πέμπτου κεφαλαίου είναι η εξέταση διστρωματικών μεταεπιφανειών λεπτής ταινίας με στόχο την κατάλληλη διαμόρφωση και ανώμαλη ανάκλαση επίπεδων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων οπτικού φάσματος ακτινοβολίας. Σε πρώτη φάση παρουσιάζεται η ανάλυση και σχεδίαση βέλτιστων μεταεπιφανειών ενός τέλεια μαγνητικά αγώγιμου κυλινδρικού νανοσύρματος ενσωματωμένου στο στο ημιαγώγιμο στρώμα. Ελέγχεται πλήθος υποψήφιων υλικών και σχηματίζεται πίνακας σχεδιάσεων με κεντρικές συχνότητες λειτουργίας σε ολόκηρο το οπτικό φάσμα. Το επόμενο βήμα είναι η παρουσίαση της μοντελοποίησης περιοδικής διάταξης κυλινδρικών νανοσυρμάτων από τέλεια μαγνητικό υλικό ενσωματωμένα στο ημιαγώγιμο ή διηλεκτρικό στρώμα. Στην περίπτωση της άπειρης περιοδικής δομής νανοσυρμάτων γίνεται λόγος για λειτουργία μετα-καθρέφτη (meta-mirror), δηλαδή για ανακλαστική δομή, με απόκριση προς διάφορες γωνίες, μη αναμενόμενες με βάση το νόμο του Snell, αλλά ιδιαίτερου ενδιαφέροντος. Οι προτεινόμενες διατάξεις μετα-καθρεφτών μπορούν να ανακατευθύνουν σημαντικό ποσοστό της ισχύος σε διάφορες συχνοτικές περιοχές και χρώματα του οπτικού φάσματος και για διάφορες γωνίες και εύρος γωνιών της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τέλος πρέπει να επισημανθεί πως στα παραρτήματα της διατριβής συμπεριλαμβάνονται οι αναλυτικές εκφράσεις και μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν σε ολόκληρη την έκταση της διατριβής.
description: The scope of the present doctoral thesis is the analysis, modelling and design of thin-film electromagnetic devices for optical and solar absorption and wavefront engineering. The analysis and mathematical formulation are based on a combination of semi-analytic and numerical techniques for the precise evaluation of the electromagnetic field in thin-film structures. The developed algorithms are able to efficiently and rapidly compute the scattered and total electromagnetic field in plane multilayer configurations with a single incorporated nano-scatterer or periodic setups of nano-scatterers. First of all, the bilayer thin-film structure is taken into consideration, meaning two planar infinite slabs on top of one another, which is a rather simple and easily realizable configuration. Next, a thorough inspection of an extensive and well-established material database takes place in order to identify the best possible combinations for each bilayer material. Three different types of devices designed for distinct applications are proposed based on the aforementioned setup: i) a simple bilayer optical absorber, ii) a thin-film photovoltaic cell and iii) a metasurface/meta-mirror for optical wavefront manipulation. Although electromagnetic absorption constitutes the basis of all three applications, depending on each device's goals and objectives the optimization and designing processes are suitably adapted. The simple bilayer absorbers are optimized so that maximum electromagnetic absorption occurs for incident angles close to vertical illumination, as only the vertical component of the electromagnetic field transfers energy through infinite planar slabs. The aim of the presented thin-film solar cells is the improvement of their absorbing performance, especially in the red and infrared spectrum. Finally, the goal of the wavefront engineering metasurface is the transformation of its planar response to a cylindrical one, even hundreds of wavelengths away from the structure, and the meta-mirrors's anomalous reflection towards non-intuitive angles. To this end, nano-scatterers and periodic nanostructures are utilized to attain those aforementioned objectives. In the case of thin-film photovoltaic cells, metallic cylindrical nanowires are placed inside the semiconductors, so that light-trapping in the first layer is achieved and solar energy absorption is maximized by the proposed setups. Additionally, a cylindrical pin made of perfect magnetic conductors is used, in the case of metasurface, and similar periodic cylindrical nanowires are utilized, in the case of meta-mirrors, in order to assist achieving the corresponding desirable goals. The mathematical formulations of the analyses and designing processes of all the aforementioned configurations merge a semi-analytic, integral equation, methodology with numerical techniques. Based on Sommerfeld's method, the Green's functions for the corresponding structures are computed. In order to compute the scattered and total electromagnetic field, the currents along the embedded nano-scatterers need to be evaluated. Through numerical approximations and techniques, the devices' responses are precisely, rigorously and quickly computed, in contrast to extensive, slow-converging and resource-consuming modelling via electromagnetic numerical packages. The whole formulation and mathematical analysis are presented meticulously in the thesis 's appendices. Finally, future aspects, designs and applications are considered, as the presented designing methodology enables the independent modelling and combination of multiple structures and nano-devices in a single configuration.