Een siliciumzonnecel oogst de energie van de zon terwijl het licht door lichtabsorberend silicium naar beneden reist. Om gewicht en kosten te verminderen, zonnecellen zijn dun, en terwijl silicium zichtbaar licht goed absorbeert, het vangt minder dan de helft van het licht in het nabij-infraroodspectrum, die een derde van de energie van de zon uitmaakt. De diepte van het materiaal beperkt de absorptie. Maar wat als licht in de cel horizontaal zou kunnen worden gekanaliseerd, zodat silicium zijn energie langs de breedte van de cel zou kunnen absorberen in plaats van in de diepte?

Met een dergelijke vooruitgang in het achterhoofd, Shawn Yu Lin, hoogleraar natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie aan het Rensselaer Polytechnic Institute, heeft een nanostructuur gebouwd waarvan het kristalrooster licht buigt wanneer het het materiaal binnenkomt en het in een pad parallel aan het oppervlak stuurt, bekend als "parallel aan interface-breking". De structuur is opgebouwd uit overlappende nanobuisjes en lijkt op een driedimensionaal raster gemaakt van Lincoln Logs. Fotonische nanokristallen die met zijn proces zijn gebouwd, maken extreme "lichtvangst" mogelijk en kunnen toepassingen hebben van dunnefilmzonnecellen tot fotochemische functies zoals detectie en watersplitsing.

"Deze resultaten bewijzen dat dit effect bestaat, dat als je mijn richtlijnen van eenvoudige kubieke symmetrie volgt, je kunt het licht 90 graden buigen. Het fotonische kristal dwingt licht om op een deterministische manier te buigen, in plaats van willekeurige verstrooiing of oppervlakte-effecten, "zei Lin. "Dit is een nieuw type licht-materie-interactie die de kern vormt van wat lichtvanging moet doen."

In experimentele resultaten, die verschijnen in Wetenschappelijke rapporten , Lin creëerde een fotonisch kristal met behulp van titaniumdioxide, een materiaal met een zwakke absorptie van zichtbaar licht, om het succes van het effect te bewijzen. Resultaten met behulp van een 900 nanometer dik fotonisch nanokristal van titaniumdioxide toonden voor sommige regio's een absorptie die een tot twee orden van grootte groter was dan die van een referentiefilm van hetzelfde materiaal. Lin bouwde het nanokristal – eerst in silicium, nu in titaandioxide – gebaseerd op de theoretische voorspellingen van zijn medewerker, Sajeev John, een natuurkundige aan de Universiteit van Toronto.

Light trapping beschrijft het proces van het beperken van licht tot een bepaalde ruimte, meestal met de bedoeling om het om te zetten in andere vormen van energie. In een benadering, materialen zijn ontworpen om licht te vertragen, zodat hij meer tijd in het materiaal doorbrengt. In de benadering die Lin gebruikte, het licht wordt weggebogen van zijn gegeven pad, waardoor het een langere afstand in het materiaal aflegt, in dit geval, de volledige breedte van een titaandioxidewafel.

Licht buigt altijd enigszins als het een materiaal binnenkomt met een andere optische index, iets dat gemakkelijk te zien is als licht in het water komt. In water, en vele andere materialen, het licht buigt maar een klein beetje door. De rangschikking van atomen in het titaniumdioxidekristal dat Lin creëerde, komt overeen met de schaal van zichtbare lichtgolflengten, licht op meerdere punten in de ruimte tegelijkertijd verstrooien terwijl het in het rooster beweegt. Als gevolg hiervan, licht kan niet bewegen zoals door de ruimte of door een continu medium. In plaats daarvan, het wordt gebogen onder een stompe hoek - een fenomeen dat bekend staat als "negatieve breking" - en gekanaliseerd langs de breedte van het materiaal.

Om de stroom van zichtbaar licht te manipuleren, met golflengten variërend van 400 tot 700 nanometer, Lin was de pionier van een methode om een ​​perfect symmetrische kubus van nanobuisjes te bouwen die past bij de schaal van het licht. Eerst, op een substraat wordt een laag titaandioxide afgezet. Vervolgens, een dunne laag chroomdioxide wordt afgezet om als masker te dienen voor een fotolithografisch proces dat lijnen in het titaniumdioxide etst. Eenmaal klaar, een oplosmiddel wordt gebruikt om het resterende chroomdioxide te verwijderen, het voltooien van de eerste laag "logboeken". Om extra lagen te bouwen, een laag siliciumdioxide wordt afgezet om de holtes tussen de stammen te vullen, het oppervlak is vlak gepolijst tot aan de bovenkant van de eerste laag, en het hele proces wordt herhaald in een precieze hoek van 90 graden vanaf de eerste laag.

Een laag van het materiaal is minder dan 1 miljoenste van een meter – of micron – dik, maar werd geproduceerd in wafels van 100 millimeter breed, het geven van het materiaal maar liefst 100, 000 keer de ruimte om licht te absorberen.

"Deze ontdekking bewijst een enorme verbetering in padlengte bij gebruik van een materiaal met een zeer lage absorptie. De ontdekking verandert de naam van het spel van verticaal geabsorbeerd, tot horizontaal geabsorbeerd in een superdunne structuur, " zei Lin.

Lin en John werden in hun onderzoek vergezeld door de postdoctorale onderzoeksmedewerkers van Rensselaer, Brian J. Frey en Ping Kuang, en Mei-Li Hsieh van de Nationale Chiao-Tung Universiteit in Tiawan, en Jian-Hua Jiang, van Soochow University in China. "Effectief oneindige optische padlengte gecreëerd met behulp van een eenvoudig kubisch fotonisch kristal voor extreme lichtvangst" is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Lin's onderzoek vervult The New Polytechnic, een opkomend paradigma voor hoger onderwijs dat erkent dat mondiale uitdagingen en kansen zo groot zijn dat ze niet adequaat kunnen worden aangepakt door zelfs de meest getalenteerde persoon die alleen werkt. Rensselaer fungeert als een kruispunt voor samenwerking:door samen te werken met partners uit verschillende disciplines, sectoren, en geografische regio's - om complexe mondiale uitdagingen aan te pakken, met behulp van de meest geavanceerde tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Onderzoek bij Rensselaer richt zich op enkele van 's werelds meest urgente technologische uitdagingen - van energiezekerheid en duurzame ontwikkeling tot biotechnologie en menselijke gezondheid. The New Polytechnic is transformatief in de wereldwijde impact van onderzoek, in zijn innovatieve pedagogiek, en in het leven van de studenten van Rensselaer.