Vanddråber direkte selvmonteringsproces i tyndfilmsmaterialer

Du kan tænke på det som origami - meget højteknologisk origami. Forskere ved University of Illinois har udviklet en teknik til fremstilling af tredimensionelle, enkeltkrystallinske siliciumstrukturer fra tynde film ved kobling af fotolitografi og en selvfoldende proces drevet af kapillære interaktioner.

Filmene, kun få mikrometer tyk, tilbyde mekanisk bøjning, der ikke er mulig med tykkere stykker af det samme materiale.

"Dette er en helt anden tilgang til at lave tredimensionelle strukturer, "sagde Ralph G. Nuzzo, G. L. Clark professor i kemi i Illinois. "Vi åbner et nyt vindue til, hvad der kan gøres i selvmonteringsprocesser."

Nuzzo er tilsvarende forfatter til et papir, der er accepteret til offentliggørelse i Procedurer fra National Academy of Sciences . Avisen skal offentliggøres på tidsskriftets websted Early Edition i ugen den 23. november.

Som en demonstration af den nye kapillardrevne, selvmonteringsproces, Nuzzo og kolleger konstruerede kugleformede og cylindrisk formede siliciumsolceller og vurderede deres ydeevne.

Forskerne udviklede også en forudsigelsesmodel, der tager hensyn til typen af ​​tyndfilm, der skal bruges, filmens mekaniske egenskaber og den ønskede strukturelle form.

"Modellen identificerer de kritiske betingelser for selvfoldning af forskellige geometriske former, "sagde professor i mekanisk videnskab og teknik K. Jimmy Hsia." Ved hjælp af modellen, vi kan forbedre foldeprocessen, vælge det bedste materiale til at nå bestemte mål, og forudsige, hvordan strukturen vil opføre sig for et givet materiale, tykkelse og form. "

For at fremstille deres fritstående solceller, forskerne begyndte med at bruge fotolitografi til at definere den ønskede geometriske form på en tynd film af enkeltkrystallinsk silicium, som var monteret på en tykkere, isoleret siliciumskive. Næste, de fjernede det udsatte silicium med ætsemiddel, underskud den resterende siliciumfolie med syre, og frigav folien fra skiven. Derefter placerede de en lille dråbe vand i midten af ​​foliemønsteret.

Da vandet fordampede, kapillarkræfter trak foliens kanter sammen, får folien til at vikle rundt om vanddråben.

For at bevare den ønskede form, efter at vandet var fordampet fuldstændigt, forskerne lagde et lille stykke glas, belagt med et klæbemiddel, i midten af ​​foliemønsteret. Glasset "frøs" den tredimensionelle struktur på plads, når den havde nået den ønskede foldede tilstand.

"De resulterende solcellestrukturer, endnu ikke optimeret til elektrisk ydeevne, tilbyde en lovende tilgang til effektivt at høste solenergi med tynde film, "sagde Jennifer A. Lewis, Thurnauer -professor i materialevidenskab og teknik og direktør for universitetets Frederick Seitz Materials Research Laboratory.

I modsætning til konventionelle, flade solceller, den buede, tredimensionelle strukturer fungerer også som passiv sporingsoptik ved at absorbere lys fra næsten alle retninger.

"Vi kan se frem fra denne benchmark -demonstration til fotovoltaiske strukturer lavet af tynde film, der opfører sig som om de er optisk tætte, og meget mere effektiv, "Sagde Lewis.

Den nye selvmonteringsproces kan anvendes på en række tyndfilmsmaterialer, ikke kun silicium, forskerne noterede i deres papir.

Kilde:University of Illinois at Urbana-Champaign (nyheder:web)