Design and simulation of high efficiency ultra-broadband solar energy absorber based on metasurface structure

Abstract

We propose a novel metamaterial-based broadband solar absorber and thermal emitter for thermophotovoltaic (TPV) applications. The designed structure consists of two concentric cylinders placed atop a dielectric spacer, with a manganese (Mn) layer as the bottom reflector. The absorber leverages the synergistic effects of plasmonic and photonic resonances to achieve high absorption across a broad spectrum, maximizing solar energy harvesting. The manganese backing enhances absorption efficiency while ensuring high thermal stability and selective thermal emission in the infrared range, which is crucial for efficient TPV conversion. Finite-difference time-domain (FDTD) simulations confirm that the proposed structure exhibits near-unity absorption over a wide spectral range, making it a promising candidate for next-generation solar energy and thermophotovoltaic systems.نقترح ماصا شمسيا عريض النطاق ومصدرا حراريا قائما على المواد الفوقية الجديدة لتطبيقات أنظمة الطاقة الحرارية الضوئية ( TPV (. يتكون الهيكل المصمم من أسطوانتين متحدتي المركز موضوعتين أعلى فاصل عازل، مع طبقة منغ نيز ) Mn ( كعاكس سفلي. يستفيد الماص من التأثيرات التآزرية للرنين البلازموني والفوتوني لتحقيق امتصاص عال عبر طيف واسع، مما يزيد من حصاد الطاقة الشمسية إلى أقصى حد. تعزز الطبقة الخلفية من المنغنيز كفاءة الامتصاص مع ضمان استقرار حراري ع ا ل وانبعاث حراري انتقائي في النطاق تحت الأحمر، وهو أمر حاسم لتحويل الطاقة الحرارية الضوئية بكفاءة. تؤكد محاكاة الفرق المحدود في المجال الزمني ) FDTD ( أن الهيكل المقترح يظهر امتصاصا شبه كامل عبر نطاق طيفي واسع، مما يجعله مرشحا واعدا لأنظمة الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الحرارية الضوئية من الجيل التالي.