「詳細案例」FDTD計算不同太陽輻射波長下顆粒光吸收和散射能力

2021-01-10 新能源領域前沿研究

01FDTD簡介

FDTD Solution是一種基於有限差分時域法數值方法的模擬軟體，主要用於分析微米尺度和納米尺度光電器件。它擁有高級的材料自動建模能力，自動優化的非均勻網格，以及強有力的並行計算能力，因此它是工業界最得力的寬波帶微納米光學模擬設計軟體。FDTD方法採用一定的網格劃分方式離散化場域；然後對場內的麥克斯韋旋度方程及各種邊界條件進行二階精度的中心差分離近似，得到差分方程組，從而將時域微分方程的求解轉換為差分方程的迭代求解。

02單顆粒仿真系統

圖1. 單顆粒體系仿真系統

03參數選擇和設置

仿真區域在X, Y, Z方向上尺寸均為1000nm 採用PML邊界條件自動生成的非均勻網格考慮到散射區域介質折射率的變化，在其內部使用更精細的網格(dx=dy=dz=4nm)仿真區域內設置吸收和散射場監視器來獲取納米顆粒在光照條件下的吸收和散射光譜尺寸分別為750*750*750nm和850*850*850nm設置有電場監視器獲取顆粒內部和周圍的電場分布選擇TFSF光源類型來研究納米顆粒的吸收和散射特性，位於吸收和散射監視器之間，波長範圍為200-1300nm材料的折射率數據從文獻和材料資料庫中獲得

圖2. 模型建立和個監視器設置

04光學性能評價

1. 標準太陽輻射能量分布

圖3. 標準太陽輻射能量分布

2. 根據相關公式計算，可以得到顆粒的光吸收和光散射功率以及光吸收比等參數，詳細見文末論文地址

圖4. 顆粒周圍電場分布圖
圖5. 納米顆粒的光吸收比

05要點提示

通過FDTD仿真能夠得到納米顆粒周圍的電磁場分布圖（數據）通過吸收和散射分析組得到不太太陽輻射波長下顆粒的光吸收和光散射截面可通過光吸收和散射截面計算得到納米顆粒的吸收和散射功率進而可以獲得評價納米顆粒光學性能的其他評價指標

具體細節見論文：

10.1007/s11051-019-4576-4, Journal of Nanoparticle Research, 2019

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