一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法与流程

本发明涉及太阳能收集领域，具体涉及一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法。

背景技术：

目前市场上出现的太阳能电池都是基于半导体的光生伏特效应，即利用光的粒子性，但是其吸收太阳辐射的效率太低。而由爱因斯坦提出的光的波粒二象性，可以根据光的波动性利用天线吸收太阳光，再将天线产生的高频交流电整流成直流电供外载使用。美国的bailey于1972年提出了首个天线太阳能电池的模型。1984年，marks给出了一种新的整流天线结构，由偶极子阵列和全波整流器构成。目前国际上对于整流天线太阳能电池的研究尚处于基础理论与试验中，实物天线电池尚未出现。

纳米整流天线电池的转换效率包括天线接收效率、天线与二极管之间的阻抗匹配效率以及整流效率。而首要的问题就是天线吸收太阳光的效率，其是衡量高效吸收太阳辐射的重要指标。根据天线互易性定理，天线吸收效率即为天线的辐射效率。目前出现的吸收太阳辐射的纳米天线存在两个不足。第一，设计的纳米天线没有覆盖太阳能的主要能量区；第二，没有考虑太阳光的任意极化特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有吸收太阳辐射的不足，提供一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法：基于吸收效率，设计工作波长为400-1600nm(该波长包含了85％的太阳辐射能量)的阿基米德螺旋纳米天线来吸收太阳辐射。不仅最终能够获得高达74.49％的吸收效率；而且设计的纳米天线对太阳光的极化特性不敏感。

技术方案：一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法，包括以下步骤：

(1)初始化银螺旋纳米天线的尺寸

银螺旋纳米天线的初始参数为：

天线臂为1环，天线的馈电间隙g＝20nm，天线臂高度h＝40nm，天线臂宽度w＝40nm，基底介质的表面尺寸为500nn×500nm，基底介质厚度d＝0；

(2)基于时域有限差分法建立仿真模型，获得天线的辐射效率为ηrad，ηrad的表达式如下：

其中：

prad是天线辐射到远场的功率；

pin是天线端口输入的能量；

ploss表示银螺旋纳米天线本身消耗的能量；

(3)计算银螺旋纳米天线在整个工作波长400～1600nm的总吸收效率η^tot，用来评估设计的螺旋纳米天线结构，η^tot的计算公式为

其中，

λ是电磁波的波长，

η^rad(λ)是银螺旋纳米天线的辐射效率，

p(λ,t)是普朗克的黑体辐射，其表达式如下

其中：

t是进行太阳能量收集时，太阳表面的的绝对温度，其值为5780k，

h是普朗克常数，

c真空中的光速，

k是玻尔兹曼常数，

λ表示电磁波的波长；

(4)对于不同尺寸的螺旋天线，以总吸收效率η^tot表征选择最终的天线尺寸，确定最优的天线结构

每次确定一个可变参数，天线参数扫描范围为：

天线臂的环数范围为1～3，天线臂宽度范围为20～60nm，天线臂取值步长为10nm，天线臂的高度范围为30～70nm，天线臂高度的取值步长为10nm，基底介质厚度范围为0～5000nm，0nm代表没有介质的情况，重复步骤(2)～(3)，从中选出总吸收效率最高的天线结构作为最优的天线尺寸。

进一步的，步骤(1)中银螺旋纳米天线包括两个共面的银阿基米德螺旋臂及基底介质，

两个共面的银阿基米德螺旋臂的一端与基底介质的一侧相接触，天线臂的宽度与两臂之间的间距相同，两个天线臂呈镜像布设。

更进一步的，所述基底介质为硅基底介质或二氧化硅基底介质。

有益效果：本发明公开的一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法具有以下有益效果：

1、设计的天线结构能接收400-1600nm的宽频太阳频谱，且总吸收效率达74.49％；

2、兼顾太阳光的任意极化特性，较线极化的偶极子天线，只能接收一半的太阳功率，螺旋天线可以接收任意线极化的光。

附图说明

图1是银螺旋纳米天线的结构示意图；

图2是本发明公开的一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法流程图；

图3是天线臂环数变化对螺旋纳米天线的辐射效率及总辐射效率的影响图；

图4是天线臂宽度变化对螺旋纳米天线的辐射效率及总辐射效率的影响示图；

图5是天线臂高度变化对螺旋纳米天线的辐射效率及总辐射效率的影响图；

图6是天线的基底介质厚度变化对螺旋纳米天线的辐射效率及总辐射效率的影响图；

图7是不同极化方向入射光对螺旋纳米天线的电场强度影响图；

其中：

g-馈电间隙h-天线臂高度

w-天线臂宽度d-基底介质厚度

g-相邻天线臂的间距

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

具体实施例1

如图2所示，一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法，以工作波长内总辐射效率最高为指标的方法设计螺旋纳米天线结构并最终确定其尺寸，包括以下步骤：

(1)初始化银螺旋纳米天线的尺寸

银螺旋纳米天线的初始参数为：

天线臂为1环，天线的馈电间隙g＝20nm，天线臂高度h＝40nm，天线臂宽度w＝40nm，基底介质的表面尺寸为500nn×500nm，基底介质厚度d＝0；

(2)基于时域有限差分法建立仿真模型，获得天线的辐射效率为ηrad，ηrad的表达式如下：

其中：

prad是天线辐射到远场的功率；

pin是天线端口输入的能量；

ploss表示银螺旋纳米天线本身消耗的能量；

(3)计算银螺旋纳米天线在整个工作波长400～1600nm的总吸收效率η^tot，用来评估设计的螺旋纳米天线结构，η^tot的计算公式为

其中，

λ是电磁波的波长，

η^rad(λ)是银螺旋纳米天线的辐射效率，

p(λ,t)是普朗克的黑体辐射，其表达式如下

其中：

t是进行太阳能量收集时，太阳表面的的绝对温度，其值为5780k，

h是普朗克常数，

c真空中的光速，

k是玻尔兹曼常数，

λ表示电磁波的波长；

(4)对于不同尺寸的螺旋天线，以总吸收效率η^tot表征选择最终的天线尺寸，确定最优的天线结构

每次确定一个可变参数，天线参数扫描范围为：

天线臂的环数范围为1～3，天线臂宽度范围为20～60nm，天线臂取值步长为10nm，天线臂的高度范围为30～70nm，天线臂高度的取值步长为10nm，基底介质厚度范围为0～5000nm，0nm代表没有介质的情况，重复步骤(2)～(3)，从中选出总吸收效率最高的天线结构作为最优的天线尺寸。各参数获得辐射效率及总辐射效率的结果，参照图3～6所示。

进一步的，如图1所示，步骤(1)中银螺旋纳米天线包括两个共面的银阿基米德螺旋臂及基底介质，

两个共面的银阿基米德螺旋臂的一端与基底介质的一侧相接触，

天线臂的宽度与两臂之间的间距相同，两个天线臂呈镜像布设。

另外，天线臂为一环且臂与臂之间的间距g与天线臂的宽度w始终保持相等，

更进一步的，基底介质为硅基底介质。

验证：

确定最优的天线尺寸后，验证螺旋纳米天线的极化特性。通过在垂直天线的表面的方向上施加平面波激励，入射光的极化方向在介质水平面上，且与x轴夹角为0、45、90度，取天线间隙处的中心点电场为观测点，对不同极化方向的入射光表现出不敏感性(分别为14.5、18.2、19.6)，具有一定的稳定性，适合用于任意极化的太阳光的吸收。

验证螺旋纳米天线对不同入射方向的极化光具有一定的稳定性。采用不同极化方向的入射光激励分析近场的电场增强特性，设置天线臂的环数n＝1、宽度w＝40nm、高度h＝60nm、介质尺寸为500nm×500nm×200nm不变，设定垂直天线表面入射光，极化方向在天线表面所在的平面上，且与x轴的夹角分别取0、45、90度。入射光强度为1v/m，选择天线的馈电间隙中心处为观测点，记录该点的电场强度随波长的变化情况，结果参照图7，从图7可以看出，在400-1000nm的波长范围内纳米螺旋天线对极化是不敏感的，只在长波区0度极化与90度极化的差别相对大一些，而像偶极子这类线极化天线只能接收臂长方向极化的入射光，垂直于臂长方向的极化入射光将不能接收，因此螺旋纳米天线适合用来收集任意极化的太阳光。

具体实施例2

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

基底介质为二氧化硅基底介质。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。