Skub grænsen for tyndfilmsabsorption i sol- og vandopdelingsapplikationer

En siliciumsolcelle høster solens energi, når lyset rejser ned gennem lysabsorberende silicium. For at reducere vægt og omkostninger, solceller er tynde, og mens silicium absorberer synligt lys godt, den fanger mindre end halvdelen af ​​lyset i det nær-infrarøde spektrum, som udgør en tredjedel af solens energi. Materialets dybde begrænser absorptionen. Men hvad nu hvis lys i cellen kunne kanaliseres vandret, så silicium kunne absorbere sin energi langs cellens bredde i stedet for dens dybde?

Med et sådant fremskridt i tankerne, Shawn-Yu Lin, professor i fysik, anvendt fysik, og astronomi ved Rensselaer Polytekniske Institut, har bygget en nanostruktur, hvis krystalgitter bøjer lyset, når det kommer ind i materialet og leder det i en bane parallelt med overfladen, kendt som "parallel til interface brydning." Strukturen er bygget af overlappende nanorør og ligner et tredimensionelt gitter lavet af Lincoln Logs. Fotoniske nanokrystaller bygget ved hjælp af hans proces muliggør ekstrem "lysindfangning" og kan have applikationer fra tyndfilmsolceller til fotokemiske funktioner som sansning og vandopdeling.

"Disse resultater beviser, at denne effekt eksisterer, at hvis du følger mine retningslinjer for simpel kubisk symmetri, du kan bøje lyset 90 grader. Den fotoniske krystal tvinger lys til at bøje på en deterministisk måde, snarere end tilfældig spredning eller overfladeeffekter, " sagde Lin. "Dette er en ny type lys-stof interaktion, der ligger i hjertet af, hvad lysfangst er beregnet til at gøre."

I eksperimentelle resultater, som optræder i Videnskabelige rapporter , Lin skabte en fotonisk krystal ved hjælp af titaniumdioxid, et materiale med svag absorption af synligt lys, for at bevise effekten af ​​effekten. Resultater ved brug af en 900 nanometer tyk titaniumdioxid fotonisk nanokrystal viste absorption forbedret med en til to størrelsesordener større end en referencefilm af det samme materiale for nogle regioner. Lin byggede nanokrystallen – først i silicium, nu i titaniumdioxid - baseret på hans samarbejdspartners teoretiske forudsigelser, Sajeev John, en fysiker ved University of Toronto.

Lysindfangning beskriver processen med at begrænse lys til et givet rum, normalt med den hensigt at omdanne den til andre former for energi. I én tilgang, materialer er designet til at bremse lyset, så den bruger mere tid i materialet. I den tilgang Lin brugte, lyset er bøjet væk fra sin givne vej, få den til at rejse en længere afstand inden i materialet, I dette tilfælde, den fulde bredde af en titaniumdioxid wafer.

Lys bøjer altid noget, når det trænger ind i et materiale med et andet optisk indeks, noget, der let ses, når lys kommer ind i vandet. I vand, og mange andre materialer, lyset bøjer kun lidt. Arrangementet af atomer i den titaniumdioxid-krystal, Lin skabte, matcher skalaen af ​​synligt lys bølgelængder, spreder lys på flere punkter i rummet samtidigt, når det bevæger sig ind i gitteret. Som en konsekvens, lys kan ikke bevæge sig som det gør gennem rummet eller ethvert kontinuerligt medium. I stedet, det bøjes i en stump vinkel – et fænomen kendt som "negativ brydning" – og kanaliseres langs materialets bredde.

For at manipulere strømmen af ​​synligt lys, med bølgelængder fra 400 til 700 nanometer, Lin var banebrydende for en metode til at bygge en perfekt symmetrisk terning af nanorør for at matche lysets skala. Først, et lag titaniumdioxid aflejres på et substrat. Derefter, et tyndt lag chromdioxid aflejres for at tjene som en maske for en fotolitografisk proces, der ætser linjer ind i titaniumdioxiden. Når det er afsluttet, et opløsningsmiddel bruges til at fjerne den resterende chromdioxid, færdiggørelse af det første lag af "logfiler". For at bygge yderligere lag, et lag siliciumdioxid aflejres for at fylde hulrummene mellem træstammerne, overfladen er poleret flad til toppen af ​​det første lag, og hele processen gentages i en præcis 90-graders vinkel fra det første lag.

Et lag af materialet er mindre end 1 milliontedel meter – eller mikron – tykt, men blev produceret i wafers 100 millimeter brede, giver materialet så meget som 100, 000 gange pladsen til at absorbere lys.

"Denne opdagelse beviser en enorm forbedring af vejlængden, når man bruger et materiale, der har en meget lav absorption. Dens opdagelse ændrer navnet på spillet fra vertikalt absorberet, til vandret absorberet i en super tynd struktur, " sagde Lin.

Lin og John fik i deres forskning følgeskab af Rensselaers postdoktorale forskningsmedarbejdere Brian J. Frey og Ping Kuang, og Mei-Li Hsieh fra National Chiao-Tung University i Tiawan, og Jian-Hua Jiang, fra Soochow University i Kina. "Effekt uendelig optisk vejlængde skabt ved hjælp af en simpel kubisk fotonisk krystal til ekstrem lysindfangning" er udgivet i Videnskabelige rapporter .

Lins forskning opfylder The New Polytechnic, et spirende paradigme for videregående uddannelse, som anerkender, at globale udfordringer og muligheder er så store, at de ikke kan løses tilstrækkeligt af selv den mest talentfulde person, der arbejder alene. Rensselaer fungerer som en korsvej for samarbejde - arbejder med partnere på tværs af discipliner, sektorer, og geografiske regioner - for at løse komplekse globale udfordringer, ved at bruge de mest avancerede værktøjer og teknologier, hvoraf mange er udviklet hos Rensselaer. Forskning hos Rensselaer adresserer nogle af verdens mest presserende teknologiske udfordringer - fra energisikkerhed og bæredygtig udvikling til bioteknologi og menneskers sundhed. The New Polytechnic er transformerende i den globale virkning af forskning, i sin innovative pædagogik, og i livet for studerende på Rensselaer.