Reducering af reflektivitet i solceller og optik med mikro- og nanoskala strukturer

Når det kommer til solceller, less is more – jo mindre deres overflader reflekterer solens stråler, jo mere energi kan genereres. En typisk løsning på problemet med reflektivitet er en antireflekterende belægning, men det er måske ikke altid den bedste løsning, afhængig af applikationen.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere er kommet med retningslinjer for et alternativ til anti-reflekterende belægninger på optiske enheder såsom solceller, briller og kameraer, fandt ud af, at siliciumoptikkens reflektivitet kan reduceres til så lidt som 1 procent ved at konstruere deres overflader med lag af hierarkiske mikro- og nanometerlængdestrukturer.

Et team af LLNL -forskere, ledet af kemiingeniør Anna Hiszpanski og UC Santa Cruz kandidatstuderende Juan Diaz Leon, beskrevet parametrene i et nyligt papir udgivet af tidsskriftet Avancerede optiske materialer . Teknologien har sine rødder i naturen, efterligner de hierarkiske strukturer, der findes i en møls øje, giver dem mulighed for at absorbere mere lys og bedre navigere i mørket.

"Det er en anden antireflekterende tilgang, "sagde Hiszpanski, der udførte eksperimenterne og var medlederforfatter på papiret. "Designreglerne for disse hierarkiske antireflekterende strukturer er ikke eksplicit beskrevet i disse størrelsesskalaer. Jeg håber, at de vil gøre det muligt for andre hurtigere at designe og fremstille optimale strukturer med de antireflekterende egenskaber, der er nødvendige for deres applikationer. "

Refleksioner fra overflader kan være en stor udfordring inden for optik, ifølge Diaz Leon, der udførte computersimuleringerne. Typisk, enkeltlags antirefleksbelægninger bruges til at modvirke det, bruge destruktiv interferens til at eliminere refleksioner for kun et smalt bånd af bølgelængder og betragtningsvinkler. Imidlertid, når der ønskes reduceret reflektivitet over flere bølgelængder og betragtningsvinkler, forskellige tilgange er nødvendige, han sagde.

I undersøgelsen, gruppen fandt, at den gennemsnitlige halvkugleformede eller samlede reflektans af silicium kan være så meget som 38 procent, men hvis kun mikroskala pyramideformede strukturer er konstrueret til silicium, som det er almindeligt i solceller, reflektans falder til omkring 11 procent. Imidlertid, ved at stable arrays af mikro- og nanostørrelse oven på de større strukturer, total refleksivitet kan reduceres til så lidt som mellem 1 procent og 2 procent uanset vinklen på indgående lys.

Hvis solceller kunne struktureres til at opsamle mere lys i alle vinkler, Hiszpanski sagde, de ville ikke skulle spores med solens position på himlen og kunne potentielt være mere effektive til at omdanne energi. Når det bruges i briller, hierarkiske strukturer kunne eliminere reflektivitet og blænding uden at producere den grønne eller lilla farveeffekt, som nuværende antireflekterende glasbelægninger har. Kameraer ville være i stand til at tage billeder i svagt lys. Teknologien kan også oversættes til teleskoper og diffraktionsoptik.

Diaz Leon brugte en bølgeoptikpakke til at simulere opførselen af ​​møløjestrukturer, at kombinere dem på en hierarkisk måde. Forskerne indså, at strukturernes periodicitet (gentagelse) modificerede deres antirefleksionsegenskaber, så de simulerede strukturer med en lignende størrelse, men introducerede aperiodicitet for bedre at forstå denne effekt.

"Med disse simuleringer vi var i stand til at komme med et sæt designregler for at kombinere forskellige møløjestrukturer hierarkisk for et specifikt behov i anti-refleksionsegenskaber, " sagde Diaz Leon. "Vi fandt ud af, at ved at kombinere møløje-strukturer af forskellige størrelser, du kan ikke kun reducere refleksioner ved det bølgelængdeområde, de skal fungere (efter den tidligere kendte tommelfingerregel), men du kan også yderligere reducere refleksioner ved et givet bølgelængdeområde. "

Specifikt, Diaz Leon sagde, ved at bruge solspektret som et mål, forskerne lærte, at regelmæssige mikroskala pyramideformede strukturer i vid udstrækning reducerer spejlende reflektans - den spejllignende reflektans, der findes i polerede overflader - hvorimod de små nanometerskala strukturer reducerer diffus reflektans, som består af refleksioner, der kommer fra andre vinkler end den primære reflekterende refleksvinkel. Ved at kombinere to forskellige strukturer med forskellige størrelser, forskerne kunne selektivt minimere spekulære og diffuse reflektanser. Også, de lærte, at mens den samlede reflektans for periodiske og aperiodiske strukturer var ens, aperiodicitet reducerer spejlende reflektans og øger diffus reflektans, nyttigt, når man forsøger at minimere en specifik (spekulær eller diffus) reflektans afhængigt af slutapplikationen.

Hiszpanski fremstillede prøverne ved LLNL ved hjælp af alle maskefrie og våde ætsning (kemiske) teknikker, gør processen let skalerbar til store områder. Fremstillingsmetoderne er unikke for silicium, men forskere søger at overføre dem til plast og glas. De planlægger at samarbejde med UC Berkeley om at lave solceller og forsøge at forbedre effektiviteten, samt oversætte metoderne til fleksible underlag med potentiel brug i glas.