Ein nationales Laborteam von Lawrence Livermore unter der Leitung von Anna hiszpanski hat Leitlinien für eine Alternative zu Antireflexionsbeschichtungen auf optischen Geräten wie Solarzellen, Gläsern und Kameras entwickelt, indem sie ihre Oberflächen mit Schichten hierarchischer Mikro- und Nanometerlängenstrukturen versehen. Kredit: Lawrence Livermore National Laboratory

Wenn es um Solarzellen geht, ist weniger mehr - je weniger ihre Oberflächen die Sonnenstrahlen reflektieren, desto mehr Energie kann erzeugt werden. Eine typische Lösung für das Problem der Reflektivität ist eine Antireflexbeschichtung, die je nach Anwendung jedoch nicht immer die beste Lösung darstellt.

Die Forscher von lawrence livermore national laboratory (llnl) haben Richtlinien für eine Alternative zu Antireflexionsbeschichtungen auf optischen Geräten wie Solarzellen, Gläsern und Kameras entwickelt und festgestellt, dass das Reflexionsvermögen von Siliziumoptiken durch Engineering auf bis zu 1 Prozent reduziert werden kann ihre Oberflächen mit Schichten hierarchischer Strukturen in Mikro- und Nanometerlänge.

ein team von llnl-forschern, angeführt von der chemieingenieurin anna hiszanski und dem uc-santa-cruz-studenten juan diaz leon, beschrieb die parameter in einer neueren Veröffentlichung, die von der Zeitschrift advanced optical materials veröffentlicht wurde. Die Technologie hat ihre Wurzeln in der Natur und ahmt die hierarchischen Strukturen nach, die im Mottenauge zu finden sind. Dadurch können sie mehr Licht absorbieren und sich besser in der Dunkelheit bewegen.

\"Es ist ein anderer antireflexiver Ansatz\", sagte hiszpanski, der die Experimente durchführte und der Co-Hauptautor des Artikels war. \"Die Entwurfsregeln für diese hierarchischen Antireflexstrukturen wurden in diesen Größenskalen nicht explizit festgelegt. Ich bin zuversichtlich, dass sie es anderen ermöglichen werden, mit den für ihre Anwendungen benötigten Antireflexionseigenschaften optimale Strukturen schneller zu entwerfen und herzustellen. \"

Reflexionen von Oberflächen können eine große Herausforderung in der Optik sein, so Diaz Leon, der die Computersimulationen durchgeführt hat. typischerweise werden Einschicht-Antireflexionsbeschichtungen verwendet, um dem entgegenzuwirken, wobei destruktive Interferenz verwendet wird, um Reflexionen nur für ein schmales Band von Wellenlängen und Betrachtungswinkeln zu eliminieren. Wenn jedoch eine reduzierte Reflektivität über mehrere Wellenlängen und Betrachtungswinkel erwünscht ist, sind verschiedene Ansätze erforderlich, sagte er.

In der Studie stellte die Gruppe fest, dass die durchschnittliche hemisphärische oder Gesamtreflexion von Silizium bis zu 38 Prozent betragen kann. Wenn jedoch nur mikroskopische Pyramidenstrukturen in Silizium eingebaut werden, wie es in Solarzellen üblich ist, sinkt die Reflexion auf etwa 11 Prozent. Durch das Stapeln von Mikro- und Nano-Arrays auf den größeren Strukturen kann die Gesamtreflektivität jedoch unabhängig vom Winkel des einfallenden Lichts auf 1% bis 2% reduziert werden.

Wenn Solarzellen texturiert werden könnten, um mehr Licht in allen Winkeln zu sammeln, müssten sie nicht mit der Position der Sonne am Himmel verfolgt werden und könnten möglicherweise effizienter Energie umwandeln. Wenn sie in einer Brille verwendet werden, können hierarchische Strukturen Reflektivität und Blendung eliminieren, ohne den grünen oder violetten Farbeffekt zu erzeugen, den gegenwärtige Antireflexglasbeschichtungen haben. Kameras könnten Fotos bei geringerem Licht aufnehmen. Die Technologie könnte auch auf Teleskope und Beugungsoptik übertragen werden.

diaz leon verwendete ein Wellenoptikpaket, um das Verhalten von Mottenaugenstrukturen zu simulieren und hierarchisch zu kombinieren. Die Forscher erkannten, dass die Periodizität der Strukturen (Rekursion) ihre Antireflexionseigenschaften veränderte, so dass sie Strukturen ähnlicher Größe simulierten, aber Aperiodizität einführten, um diesen Effekt besser zu verstehen.

\"Mit diesen Simulationen waren wir in der Lage, eine Reihe von Designregeln zu entwickeln, um verschiedene Mottenaugenstrukturen hierarchisch für ein bestimmtes Bedürfnis nach Antireflexionseigenschaften zu kombinieren\", sagte Diaz Leon. \"Wir haben herausgefunden, dass durch die Kombination von Mottenaugenstrukturen unterschiedlicher Größe nicht nur Reflexionen in dem Wellenlängenbereich reduziert werden können, in dem sie arbeiten sollen (nach der bekannten Faustregel), sondern auch Reflexionen bei einer bestimmten Wellenlänge weiter reduziert werden können Angebot.\"

Diaz leon sagte, dass die mikroskopischen pyramidalen Strukturen das spiegelnde Reflexionsvermögen - das spiegelnde Reflexionsvermögen von polierten Oberflächen - stark reduzieren, während die kleinen Strukturen im Nanometerbereich die diffuse Reflexion reduzieren , die aus Reflexionen besteht, die aus Winkeln kommen, die sich vom Hauptwinkel des Spiegelreflexions unterscheiden. Durch die Kombination von zwei verschiedenen Strukturen mit unterschiedlichen Größen konnten die Forscher selektiv spiegelnde und diffuse Reflexionen minimieren. Außerdem erfuhren sie, dass, während das Gesamtreflexionsvermögen für periodische und aperiodische Strukturen ähnlich war, Aperiodizität die Spiegelreflexion reduziert und die diffuse Reflexion erhöht, was nützlich ist, wenn versucht wird, eine spezifische (spiegelnde oder diffuse) Reflexion in Abhängigkeit von der Endanwendung zu minimieren.

hiszpanski fabrizierte die Proben mit allen Masken- und Nassätztechniken, was den Prozess für große Bereiche einfach skalierbar macht. Die Herstellungsverfahren sind einzigartig für Silizium, aber Forscher wollen sie auf Kunststoffe und Glas übertragen. sie planen, mit uc berkeley zusammenzuarbeiten, um Solarzellen herzustellen und zu versuchen, die effizienz zu verbessern, sowie die methoden auf flexible substrate mit möglichem einsatz in gläsern zu übertragen.

Quelle: Phys

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