Selvmonterede nanotekstur skaber antireflekterende overflade på siliciumsolceller

At reducere mængden af ​​sollys, der hopper af overfladen af ​​solceller, hjælper med at maksimere omdannelsen af ​​solens stråler til elektricitet, så producenter bruger belægninger til at skære ned på refleksioner. Nu viser forskere ved det amerikanske energiministerium Brookhaven National Laboratory, at ætsning af en nanoskala-tekstur på selve siliciummaterialet skaber en antireflekterende overflade, der fungerer såvel som topmoderne tyndfilm flerlagsbelægninger.

Deres metode, beskrevet i journalen Naturkommunikation og indsendt til patentbeskyttelse, har potentiale til at strømline silicium solcelleproduktion og reducere produktionsomkostninger. Fremgangsmåden kan finde yderligere applikationer til at reducere blænding fra vinduer, levering af radar -camouflage til militært udstyr, og øge lysstyrken på lysemitterende dioder.

"Til antirefleksapplikationer, tanken er at forhindre lys eller radiobølger i at hoppe ved grænseflader mellem materialer, "sagde fysikeren Charles Black, der ledede forskningen ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Forebyggelse af refleksioner kræver kontrol af en brat ændring i "brydningsindeks, "en egenskab, der påvirker, hvordan bølger som lys forplanter sig gennem et materiale. Dette sker ved grænsefladen, hvor to materialer med meget forskellige brydningsindeks mødes, for eksempel ved grænsefladen mellem luft og silicium. Tilføjelse af en belægning med et mellemliggende brydningsindeks ved grænsefladen letter overgangen mellem materialer og reducerer refleksion, Sort forklaret.

"Problemet med at bruge sådanne belægninger til solceller, " han sagde, "er, at vi foretrækker at fange alle farver i lysspektret i enheden fuldt ud, og vi vil gerne fange lyset, uanset hvilken retning det kommer fra. Men hver lysfarve passer bedst med en anden antirefleksbelægning, og hver belægning er optimeret til lys, der kommer fra en bestemt retning. Så du håndterer disse problemer ved at bruge flere antirefleksionslag. Vi var interesserede i at lede efter en bedre måde. "

Til inspiration, forskerne vendte sig til et velkendt eksempel på en antireflekterende overflade i naturen, almindelige møls øjne. Overfladerne på deres sammensatte øjne har teksturerede mønstre lavet af mange små "stolper, "hver mindre end lysets bølgelængder. Denne teksturerede overflade forbedrer møls nattesyn, og forhindrer også, at "hjorten i forlygterne" afspejler glød, der kan tillade rovdyr at opdage dem.

"Vi satte os for at genskabe mølløjemønstre i silicium i endnu mindre størrelser ved hjælp af metoder til nanoteknologi, "sagde Atikur Rahman, en postdoktor, der arbejder med Black på CFN og første forfatter af undersøgelsen.

Forskerne startede med at belægge den øverste overflade af en silicium solcelle med et polymermateriale kaldet en "blokcopolymer, "som kan fås til at selvorganisere sig til et ordnet overflademønster med dimensioner, der kun måler snesevis af nanometer. Det selvsamlede mønster tjente som en skabelon til dannelse af stolper i solcellen som dem i møløje ved hjælp af et plasma af reaktive gasser -en teknik, der almindeligvis bruges til fremstilling af halvleder elektroniske kredsløb.

Den resulterende overflade -nanotekstur tjente til gradvist at ændre brydningsindekset til drastisk at reducere refleksion af mange bølgelængder af lys samtidigt, uanset lysets retning, der rammer solcellen.

"Tilføjelse af disse nanoteknikker gjorde den normalt skinnende siliciumoverflade helt sort, "Sagde Rahman.

Solceller struktureret på denne måde overgår dem, der er belagt med en enkelt antireflekterende film, med omkring 20 procent, og bringe lys ind i enheden samt de bedste flerlagsbelægninger, der bruges i branchen.

"Vi arbejder på at forstå, om der er økonomiske fordele ved at samle siliciumsolceller ved hjælp af vores metode, sammenlignet med andre, etablerede processer i branchen, "Sagde sort.

Skjult lag forklarer bedre ydeevne end forventet

Et spændende aspekt af undersøgelsen var, at forskerne opnåede den antireflekterende ydeevne ved at oprette nanoposter kun halvt så høje som den krævede højde forudsagt af en matematisk model, der beskriver effekten. Så de opfordrede ekspertisen fra kolleger ved CFN og andre Brookhaven -forskere til at hjælpe med at sortere mysteriet.

"Dette er en stærk fordel ved at lave forskning på CFN-både for os og for akademiske og industrielle forskere, der kommer til at bruge vores faciliteter, "Black sagde." Vi har alle disse eksperter rundt omkring, som kan hjælpe dig med at løse dine problemer. "

Ved hjælp af en kombination af beregningsmodellering, elektronmikroskopi, og overfladevidenskab, teamet udlede, at et tyndt lag siliciumoxid, der ligner det, der typisk dannes, når silicium udsættes for luft, syntes at have en overdimensioneret effekt.

"På en flad overflade, dette lag er så tyndt, at dets effekt er minimal, "forklarede Matt Eisaman fra Brookhavens afdeling for bæredygtige energiteknologier og en professor ved Stony Brook University." Men på den nanopatronede overflade, med det tynde oxidlag, der omgiver alle sider af nanoteksturen, oxidet kan have en større effekt, fordi det udgør en betydelig del af det nanotekstruerede materiale. "

Sagde sort, "Dette" skjulte "lag var nøglen til det ekstra boost i ydeevnen."

Forskerne er nu interesserede i at udvikle deres selvmonteringsbaserede metode til nanoteksturmønstre til andre materialer, herunder glas og plast, til vinduesglas og belægninger til solpaneler.