Als het om zonnecellen gaat, minder is meer - hoe minder hun oppervlakken de zonnestralen weerkaatsen, hoe meer energie kan worden opgewekt. Een typische oplossing voor het probleem van reflectiviteit is een antireflectiecoating, maar dat is misschien niet altijd de beste oplossing, afhankelijk van de toepassing.

Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben richtlijnen opgesteld voor een alternatief voor antireflectiecoatings op optische apparaten zoals zonnecellen, bril en camera's, vinden dat de reflectiviteit van siliciumoptiek kan worden teruggebracht tot slechts 1 procent door hun oppervlakken te ontwerpen met lagen hiërarchische structuren met een lengte van micro- en nanometers.

Een team van LLNL-onderzoekers, onder leiding van chemisch ingenieur Anna Hiszpanski en UC Santa Cruz afgestudeerde student Juan Diaz Leon, beschreef de parameters in een recent artikel gepubliceerd door het tijdschrift Geavanceerde optische materialen . De technologie heeft zijn wortels in de natuur, het nabootsen van de hiërarchische structuren in het oog van een mot, waardoor ze meer licht kunnen absorberen en beter kunnen navigeren in het donker.

"Het is een andere antireflectiebenadering, " zei Hiszpanski, die de experimenten uitvoerde en de co-hoofdauteur van het papier was. "De ontwerpregels voor deze hiërarchische antireflectiestructuren zijn niet expliciet uiteengezet in deze maatschalen. Ik hoop dat ze anderen in staat zullen stellen sneller optimale structuren te ontwerpen en te fabriceren met de antireflecterende eigenschappen die nodig zijn voor hun toepassingen. "

Reflecties van oppervlakken kunnen een grote uitdaging zijn in de optica, volgens Diaz Leon, die de computersimulaties heeft uitgevoerd. Typisch, enkellaagse antireflectiecoatings worden gebruikt om dit tegen te gaan, met behulp van destructieve interferentie om reflecties te elimineren voor slechts een smalle band van golflengten en kijkhoeken. Echter, wanneer verminderde reflectiviteit over meerdere golflengten en kijkhoeken gewenst is, verschillende benaderingen nodig zijn, hij zei.

In de studie, de groep ontdekte dat de gemiddelde hemisferische of totale reflectie van silicium wel 38 procent kan zijn, maar als alleen piramidale structuren op microschaal in silicium worden gemanipuleerd, zoals gebruikelijk is in zonnecellen, reflectie daalt tot ongeveer 11 procent. Echter, door arrays van micro- en nanoformaat op de grotere structuren te stapelen, totale reflectiviteit kan worden teruggebracht tot slechts tussen de 1 procent en 2 procent, ongeacht de hoek van het invallende licht.

Als zonnecellen zouden kunnen worden getextureerd om meer licht onder alle hoeken te verzamelen, Hiszpanski zei, ze zouden niet gevolgd hoeven te worden met de positie van de zon aan de hemel en zouden mogelijk efficiënter kunnen zijn in het omzetten van energie. Bij gebruik in brillen, hiërarchische structuren zouden reflectie en verblinding kunnen elimineren zonder het groene of paarse kleureffect te produceren dat de huidige antireflecterende glascoatings hebben. Camera's zouden foto's kunnen maken bij weinig licht. De technologie kan ook worden vertaald naar telescopen en diffractie-optica.

Diaz Leon gebruikte een golfopticapakket om het gedrag van mottenoogstructuren te simuleren, ze op een hiërarchische manier combineren. De onderzoekers realiseerden zich dat de periodiciteit van de structuren (herhaling) hun antireflectie-eigenschappen veranderde, dus simuleerden ze structuren met een vergelijkbare grootte, maar introduceerden ze aperiodiciteit om dit effect beter te begrijpen.

"Met deze simulaties we waren in staat om een ​​reeks ontwerpregels te bedenken om verschillende mottenoogstructuren hiërarchisch te combineren voor een specifieke behoefte aan antireflectie-eigenschappen, " zei Diaz Leon. "We ontdekten dat door het combineren van mottenoogstructuren van verschillende groottes, je kunt niet alleen reflecties verminderen in het golflengtegebied dat ze zouden moeten werken (volgens de eerder bekende vuistregel), maar je kunt ook reflecties bij een bepaald golflengtebereik verder verminderen."

specifiek, Diaz Leon zei, door het zonnespectrum als doel te gebruiken, de onderzoekers ontdekten dat reguliere piramidale structuren op microschaal de spiegelreflectie grotendeels verminderen - de spiegelachtige reflectie die wordt aangetroffen in gepolijste oppervlakken - terwijl de kleine structuren op nanometerschaal de diffuse reflectie verminderen, die bestaat uit reflecties afkomstig uit andere hoeken dan de hoofdspiegelreflectiehoek. Door twee verschillende structuren te combineren met verschillende afmetingen, de onderzoekers konden spiegelende en diffuse reflecties selectief minimaliseren. Ook, ze leerden dat hoewel de algehele reflectie voor periodieke en aperiodische structuren vergelijkbaar was, aperiodiciteit vermindert spiegelreflectie en verhoogt diffuse reflectie, nuttig bij het minimaliseren van een specifieke (spiegelende of diffuse) reflectie, afhankelijk van de eindtoepassing.

Hiszpanski vervaardigde de monsters bij LLNL met behulp van alle maskerloze en nat etsende (chemische) technieken, waardoor het proces eenvoudig schaalbaar is naar grote gebieden. De fabricagemethoden zijn uniek voor silicium, maar onderzoekers willen ze overbrengen naar kunststoffen en glas. Ze zijn van plan om samen te werken met UC Berkeley om zonnecellen te maken en de efficiëntie te verbeteren, evenals het vertalen van de methoden naar flexibele substraten met mogelijk gebruik in glazen.