Het verminderen van de hoeveelheid zonlicht die weerkaatst van het oppervlak van zonnecellen helpt de omzetting van zonnestralen in elektriciteit te maximaliseren, daarom gebruiken fabrikanten coatings om reflecties te verminderen. Nu laten wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie zien dat het etsen van een nanoschaaltextuur op het siliciummateriaal zelf een antireflecterend oppervlak creëert dat net zo goed werkt als ultramoderne dunne-film meerlaagse coatings.

hun methode, beschreven in het journaal Natuurcommunicatie en ingediend voor octrooibescherming, heeft potentieel voor het stroomlijnen van de productie van siliciumzonnecellen en het verlagen van de productiekosten. De aanpak kan aanvullende toepassingen vinden bij het verminderen van schittering van ramen, het verstrekken van radarcamouflage voor militair materieel, en het verhogen van de helderheid van light-emitting diodes.

"Voor antireflectietoepassingen, het idee is om te voorkomen dat licht of radiogolven weerkaatsen op grensvlakken tussen materialen, " zei natuurkundige Charles Black, die het onderzoek leidde bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Het voorkomen van reflecties vereist het beheersen van een abrupte verandering in "brekingsindex, " een eigenschap die van invloed is op hoe golven zoals licht zich door een materiaal voortplanten. Dit gebeurt op het grensvlak waar twee materialen met zeer verschillende brekingsindices elkaar ontmoeten, bijvoorbeeld op het grensvlak tussen lucht en silicium. Het toevoegen van een coating met een tussenliggende brekingsindex aan het grensvlak vereenvoudigt de overgang tussen materialen en vermindert de reflectie, Zwart legde uit.

"Het probleem met het gebruik van dergelijke coatings voor zonnecellen, " hij zei, "is dat we er de voorkeur aan geven om elke kleur van het lichtspectrum binnen het apparaat volledig vast te leggen, en we willen het licht graag vastleggen, ongeacht de richting waar het vandaan komt. Maar elke lichtkleur past het beste bij een andere antireflectiecoating, en elke coating is geoptimaliseerd voor licht dat uit een bepaalde richting komt. Je lost deze problemen dus op door meerdere antireflectielagen te gebruiken. We waren geïnteresseerd in het zoeken naar een betere manier."

Voor inspiratie, de wetenschappers wendden zich tot een bekend voorbeeld van een antireflecterend oppervlak in de natuur, de ogen van gewone motten. De oppervlakken van hun samengestelde ogen hebben structuurpatronen gemaakt van vele kleine "posten, " elk kleiner dan de golflengten van licht. Dit getextureerde oppervlak verbetert het nachtzicht van motten, en voorkomt ook dat de "herten in de koplampen" de gloed reflecteren waardoor roofdieren ze kunnen detecteren.

"We wilden oogmottenpatronen in silicium nabootsen op nog kleinere afmetingen met behulp van nanotechnologie, " zei Atikur Rahman, een postdoctorale fellow die samenwerkt met Black bij de CFN en eerste auteur van de studie.

De wetenschappers begonnen met het coaten van het bovenoppervlak van een silicium zonnecel met een polymeer materiaal genaamd een "blokcopolymeer, " die kan worden gemaakt om zichzelf te organiseren in een geordend oppervlaktepatroon met afmetingen van slechts tientallen nanometers. Het zelf-geassembleerde patroon diende als een sjabloon voor het vormen van posten in de zonnecel zoals die in het oog van de mot met behulp van een plasma van reactieve gassen -een techniek die gewoonlijk wordt gebruikt bij de vervaardiging van elektronische halfgeleiderschakelingen.

De resulterende oppervlakte-nanotextuur diende om de brekingsindex geleidelijk te veranderen om de reflectie van vele golflengten van licht tegelijkertijd drastisch te verminderen, ongeacht de richting van het licht dat op de zonnecel valt.

"Door deze nanotexturen toe te voegen, werd het normaal glanzende siliciumoppervlak absoluut zwart, ' zei Rahmaan.

Zonnecellen die op deze manier zijn getextureerd, presteren ongeveer 20 procent beter dan cellen die zijn gecoat met een enkele antireflecterende film, en breng licht in het apparaat, evenals de beste meerlaagse coatings die in de industrie worden gebruikt.

"We proberen te begrijpen of er economische voordelen zijn aan het assembleren van siliciumzonnecellen met behulp van onze methode, vergeleken met andere, gevestigde processen in de industrie, ' zei Zwart.

Verborgen laag verklaart beter dan verwachte prestaties

Een intrigerend aspect van het onderzoek was dat de wetenschappers de antireflectieprestaties bereikten door nanoposten te maken die slechts half zo hoog waren als de vereiste hoogte die werd voorspeld door een wiskundig model dat het effect beschrijft. Dus deden ze een beroep op de expertise van collega's van de CFN en andere Brookhaven-wetenschappers om het mysterie te helpen oplossen.

"Dit is een krachtig voordeel van het doen van onderzoek bij het CFN, zowel voor ons als voor academische en industriële onderzoekers die onze faciliteiten komen gebruiken, ' zei Black. 'We hebben allemaal experts in de buurt die je kunnen helpen bij het oplossen van je problemen.'

Met behulp van een combinatie van computationele modellering, elektronenmicroscopie, en oppervlaktewetenschap, het team concludeerde dat een dunne laag siliciumoxide, vergelijkbaar met wat zich typisch vormt wanneer silicium wordt blootgesteld aan lucht, een buitenmaats effect leek te hebben.

"Op een vlakke ondergrond, deze laag is zo dun dat het effect minimaal is, " legt Matt Eisaman van Brookhaven's Sustainable Energy Technologies Department en een professor aan de Stony Brook University uit. "Maar op het oppervlak met nanopatronen, met de dunne oxidelaag die alle zijden van de nanotextuur omgeeft, het oxide kan een groter effect hebben omdat het een aanzienlijk deel uitmaakt van het nanotextuurmateriaal."

zei zwart, "Deze 'verborgen' laag was de sleutel tot de extra prestatieverbetering."

De wetenschappers zijn nu geïnteresseerd in het ontwikkelen van hun op zelfassemblage gebaseerde methode van nanotextuurpatronen voor andere materialen, inclusief glas en kunststof, voor ontspiegelde ramen en coatings voor zonnepanelen.