Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області
The purpose of this article is to present theoretical calculations of the optical spectra of periodic silicon nanostructures dependent on their length. For calculations, the structure with silicon nanowires with a constant diameter and period was simulated. The diameter of the nanowires is 80 nm, an...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/500 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543907323576320 |
|---|---|
| author | Havryliuk, O. O. Semchuk, O. Yu. |
| author_facet | Havryliuk, O. O. Semchuk, O. Yu. |
| author_sort | Havryliuk, O. O. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:03:29Z |
| description | The purpose of this article is to present theoretical calculations of the optical spectra of periodic silicon nanostructures dependent on their length. For calculations, the structure with silicon nanowires with a constant diameter and period was simulated. The diameter of the nanowires is 80 nm, and the structure period is 100 nm. The dependence of absorption, reflection and transmission spectra on the length of nanowires (500–5000 nm) was investigated. For theoretical studies, the Maxwell equation was solved by the finite difference method in the time domain (FDTD). This method can be applied precisely to general electromagnetic structures, including free-form particles. The advantage of this method is the simplicity and the capability to obtain results for a wide range of wavelengths in single calculation, as well as the capability to specify the properties of materials at any point of the calculation grid, which allows us to consider anisotropic, dispersive and nonlinear environments. At the same time, the FDTD method can be very resource-intensive, especially when simulating complex structures. This method requires from 10 to 30 points per wavelength, and small wavelengths determine the very high sampling frequency. This leads to cumbersome calculations, especially in three dimensions. To simplify calculations, the problem was carried out in two-dimensional form. It is shown that for these parameters of the structure, the reflection coefficient does not depend on the length of the nanowires, although by 30 % it is smaller than that in the solid silicon plate. The transmission coefficient decreases with the increase in the length of the nanowires, although at all calculated wavelengths it remains higher than that in the silicon wafer. It is shown that in the visible region of the spectrum, the absorption coefficient is significantly higher and with the increase of the length of nanowires, an expansion of absorption spectra is observed, indicating an increase in the absorption range of sunlight. It is shown that the use of silicon nanostructures as solar cells is an important and perspective direction of research. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:37Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-500 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:00Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5002022-06-29T10:03:29Z Modeling optical spectra of periodic structures using the finite-difference time domain method Моделирование оптических спектров периодических структур с помощью метода конечных разностей во временной области Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області Havryliuk, O. O. Semchuk, O. Yu. nanowires solar cells FDTD method optical spectra нанонити солнечные элементы метод FDTD оптические спектры нанонитки сонячні елементи метод FDTD оптичні спектри The purpose of this article is to present theoretical calculations of the optical spectra of periodic silicon nanostructures dependent on their length. For calculations, the structure with silicon nanowires with a constant diameter and period was simulated. The diameter of the nanowires is 80 nm, and the structure period is 100 nm. The dependence of absorption, reflection and transmission spectra on the length of nanowires (500–5000 nm) was investigated. For theoretical studies, the Maxwell equation was solved by the finite difference method in the time domain (FDTD). This method can be applied precisely to general electromagnetic structures, including free-form particles. The advantage of this method is the simplicity and the capability to obtain results for a wide range of wavelengths in single calculation, as well as the capability to specify the properties of materials at any point of the calculation grid, which allows us to consider anisotropic, dispersive and nonlinear environments. At the same time, the FDTD method can be very resource-intensive, especially when simulating complex structures. This method requires from 10 to 30 points per wavelength, and small wavelengths determine the very high sampling frequency. This leads to cumbersome calculations, especially in three dimensions. To simplify calculations, the problem was carried out in two-dimensional form. It is shown that for these parameters of the structure, the reflection coefficient does not depend on the length of the nanowires, although by 30 % it is smaller than that in the solid silicon plate. The transmission coefficient decreases with the increase in the length of the nanowires, although at all calculated wavelengths it remains higher than that in the silicon wafer. It is shown that in the visible region of the spectrum, the absorption coefficient is significantly higher and with the increase of the length of nanowires, an expansion of absorption spectra is observed, indicating an increase in the absorption range of sunlight. It is shown that the use of silicon nanostructures as solar cells is an important and perspective direction of research. Целью данной статьи является представление теоретических расчетов оптических спектров периодических кремниевых наноструктур в зависимости от их длины. Для проведения расчетов моделировалась структура с кремниевыми нанонитями с постоянными диаметром и периодом. Диаметр нанонитей составляет 80 нм, а период структуры 100 нм. При этом исследовалась зависимость спектров поглощения, отражения и пропускания в зависимости от длины нанонитей (500–5000 нм). Для проведения теоретических исследований решались уравнения Максвелла методом конечных разностей во временной области (FDTD). Этот метод может быть точно применен к общим электромагнитным структурам, включая частицы произвольной формы. Преимуществом этого метода является простота и возможность получить результаты для широкого спектра длин волн за один расчет, а также возможность задавать свойства материалов в любой точке расчетной сетки, что позволяет рассматривать анизотропные, дисперсные и нелинейные среды. В то же время, метод FDTD может быть очень ресурсозатратным, особенно при моделировании сложных структур. Этот метод требует от 10 до 30 точек на длину волны, а малые длины волн света определяют очень густую частоту дискретизации. Это приводит к громоздким расчетам, особенно в трех измерениях. Для упрощения расчетов исследования проводились в двумерном виде. Показано, что при данных параметрах структуры коэффициент отражения не зависит от длины нанонитей, хотя на 30 % меньше, чем в сплошной кремниевой пластине. Коэффициент пропускания с увеличением длины нанонитей уменьшается, хотя для всех рассчитанных длин волн остается выше, чем для кремниевых пластин. При этом показано, что в видимой области спектра коэффициент поглощения существенно выше и с увеличением длины нанонитей наблюдается расширение спектров поглощения, что указывает на увеличение диапазона поглощения солнечного света. Показано, что использование кремниевых наноструктур в качестве солнечных элементов является актуальным перспективным направлением исследований. Метою даної статті є представлення теоретичних розрахунків оптичних спектрів періодичних кремнієвих наноструктур в залежності від їх довжини. Для проведення розрахунків моделювалась структура з кремнієвими нанонитками зі сталими діаметром та періодом. Діаметр нанониток складає 80 нм, а період структури 100 нм. При цьому досліджувалась залежність спектрів поглинання, відбиття і пропускання в залежності від довжини нанониток (500–5000 нм). Для проведення теоретичних досліджень розв’язувались рівняння Максвела методом скінченних різниць у часовій області (FDTD). Цей метод може бути точно застосований до загальних електромагнітних структур, включаючи частинки довільної форми. Перевагою цього методу є простота і можливість отримати результати для широкого спектра довжин хвиль за один розрахунок, а також можливість задавати властивості матеріалів в будь-якій точці розрахункової сітки, що дозволяє розглядати анізотропні, дисперсні і нелінійні середовища. В той же час метод FDTD може бути дуже ресурсовитратним, особливо при моделюванні складних структур. Цей метод потребує від 10 до 30 точок на довжину хвилі, а малі довжини хвиль світла визначають дуже густу частоту дискретизації. Це призводить до громіздких розрахунків, особливо в трьох вимірах. Для спрощення розрахунків розв’язки шукались у двовимірному наближенні. Показано, що при даних параметрах структури коефіцієнт відбиття не залежить від довжини нанониток, хоча на 30 % менший, ніж в суцільній кремнієвій пластині. Коефіцієнт пропускання зі збільшенням довжини нанониток зменшується, хоча для всіх розрахованих довжин хвиль залишається вищим, ніж в кремнієвій пластині. При цьому показано, що у видимій області спектра коефіцієнт поглинання суттєво вищий і зі збільшенням довжини нанониток спостерігається розширення спектрів поглинання, що вказує на збільшення діапазону поглинання сонячного світла. Показано, що використання кремнієвих наноструктур як сонячні елементи є актуальним і перспективним напрямком досліджень. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2019-05-21 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/500 10.15407/hftp10.02.110 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 10 No. 2 (2019): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 110-117 Химия, физика и технология поверхности; Том 10 № 2 (2019): Химия, физика и технология поверхности; 110-117 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 10 № 2 (2019): Хімія, фізика та технологія поверхні; 110-117 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp10.02 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/500/502 Copyright (c) 2019 O. O. Havryliuk, O. Yu. Semchuk |
| spellingShingle | нанонитки сонячні елементи метод FDTD оптичні спектри Havryliuk, O. O. Semchuk, O. Yu. Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title | Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title_alt | Modeling optical spectra of periodic structures using the finite-difference time domain method Моделирование оптических спектров периодических структур с помощью метода конечных разностей во временной области |
| title_full | Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title_fullStr | Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title_full_unstemmed | Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title_short | Моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| title_sort | моделювання оптичних спектрів періодичних структур за допомогою методу скінченних різниць в часовій області |
| topic | нанонитки сонячні елементи метод FDTD оптичні спектри |
| topic_facet | nanowires solar cells FDTD method optical spectra нанонити солнечные элементы метод FDTD оптические спектры нанонитки сонячні елементи метод FDTD оптичні спектри |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/500 |
| work_keys_str_mv | AT havryliukoo modelingopticalspectraofperiodicstructuresusingthefinitedifferencetimedomainmethod AT semchukoyu modelingopticalspectraofperiodicstructuresusingthefinitedifferencetimedomainmethod AT havryliukoo modelirovanieoptičeskihspektrovperiodičeskihstrukturspomoŝʹûmetodakonečnyhraznostejvovremennojoblasti AT semchukoyu modelirovanieoptičeskihspektrovperiodičeskihstrukturspomoŝʹûmetodakonečnyhraznostejvovremennojoblasti AT havryliukoo modelûvannâoptičnihspektrívperíodičnihstrukturzadopomogoûmetoduskínčennihríznicʹvčasovíjoblastí AT semchukoyu modelûvannâoptičnihspektrívperíodičnihstrukturzadopomogoûmetoduskínčennihríznicʹvčasovíjoblastí |