Quando si tratta di celle solari, meno è meglio:meno le loro superfici riflettono i raggi del sole, più energia può essere generata. Una soluzione tipica al problema della riflettività è un rivestimento antiriflesso, ma potrebbe non essere sempre la soluzione migliore, a seconda dell'applicazione.

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno elaborato linee guida per un'alternativa ai rivestimenti antiriflesso su dispositivi ottici come celle solari, occhiali e macchine fotografiche, scoprendo che la riflettività dell'ottica al silicio può essere ridotta fino all'1% progettando le loro superfici con strati di strutture gerarchiche di lunghezza micro e nanometrica.

Un team di ricercatori LLNL, guidato dall'ingegnere chimico Anna Hiszpanski e dallo studente laureato dell'UC Santa Cruz Juan Diaz Leon, descritto i parametri in un recente articolo pubblicato dalla rivista Materiali ottici avanzati . La tecnologia ha le sue radici nella natura, imitando le strutture gerarchiche che si trovano nell'occhio di una falena, permettendo loro di assorbire più luce e navigare meglio nell'oscurità.

"È un diverso approccio antiriflesso, " disse Hiszpanski, che ha eseguito gli esperimenti ed è stato il co-autore principale dell'articolo. "Le regole di progettazione per queste strutture antiriflesso gerarchiche non sono state esplicitamente stabilite in queste scale dimensionali. Spero che consentiranno ad altri di progettare e fabbricare più rapidamente strutture ottimali con le proprietà antiriflesso necessarie per le loro applicazioni. "

I riflessi dalle superfici possono essere una grande sfida in ottica, secondo Diaz Leon, che ha eseguito le simulazioni al computer. Tipicamente, per contrastarlo vengono utilizzati rivestimenti antiriflesso monostrato, utilizzando l'interferenza distruttiva per eliminare i riflessi solo per una banda ristretta di lunghezze d'onda e angoli di visualizzazione. Però, quando si desidera una riflettività ridotta su più lunghezze d'onda e angoli di visualizzazione, sono necessari approcci diversi, Egli ha detto.

Nello studio, il gruppo ha scoperto che la riflettanza emisferica o totale media del silicio può raggiungere il 38%, ma se nel silicio vengono ingegnerizzate solo strutture piramidali su microscala, come è comune nelle celle solari, la riflettanza scende a circa l'11%. Però, impilando array di dimensioni micro e nanometriche sopra le strutture più grandi, la riflettività totale può essere ridotta tra l'1 percento e il 2% indipendentemente dall'angolo della luce in entrata.

Se le celle solari potessero essere strutturate per raccogliere più luce da tutte le angolazioni, Hiszpanski ha detto, non dovrebbero essere monitorati con la posizione del sole nel cielo e potrebbero essere potenzialmente più efficienti nel convertire l'energia. Se utilizzato negli occhiali, le strutture gerarchiche potrebbero eliminare la riflettività e l'abbagliamento senza produrre l'effetto di colore verde o viola che hanno gli attuali rivestimenti in vetro antiriflesso. Le fotocamere sarebbero in grado di scattare foto in condizioni di scarsa illuminazione. La tecnologia potrebbe anche essere tradotta in telescopi e ottiche di diffrazione.

Diaz Leon ha utilizzato un pacchetto di ottiche ondulatorie per simulare il comportamento delle strutture dell'occhio di falena, combinandoli in modo gerarchico. I ricercatori si sono resi conto che la periodicità delle strutture (ricorrenza) ne modificava le proprietà antiriflesso, quindi hanno simulato strutture con dimensioni simili ma hanno introdotto l'aperiodicità per comprendere meglio questo effetto.

"Con queste simulazioni, siamo stati in grado di elaborare una serie di regole di progettazione per combinare gerarchicamente diverse strutture dell'occhio di falena per un'esigenza specifica di proprietà antiriflesso, " Diaz Leon ha detto. "Abbiamo scoperto che combinando strutture a forma di falena di diverse dimensioni, non solo puoi ridurre i riflessi nella regione della lunghezza d'onda in cui dovrebbero operare (seguendo la regola empirica precedentemente nota), ma puoi anche ridurre ulteriormente i riflessi a un determinato intervallo di lunghezze d'onda."

Nello specifico, Diaz Leon ha detto, utilizzando lo spettro solare come obiettivo, i ricercatori hanno appreso che le normali strutture piramidali su microscala riducono in gran parte la riflettanza speculare, la riflettanza a specchio che si trova nelle superfici levigate, mentre le piccole strutture su scala nanometrica riducono la riflettanza diffusa, che consiste in riflessioni provenienti da angoli diversi dall'angolo di riflettanza speculare principale. Combinando due diverse strutture di varie dimensioni, i ricercatori potrebbero minimizzare selettivamente le riflettanze speculari e diffuse. Anche, hanno appreso che mentre la riflettanza complessiva per le strutture periodiche e aperiodiche era simile, l'aperiodicità riduce la riflettanza speculare e aumenta la riflettanza diffusa, utile quando si cerca di minimizzare una riflettanza specifica (speculare o diffusa) a seconda dell'applicazione finale.

Hiszpanski ha fabbricato i campioni presso LLNL utilizzando tutte le tecniche di incisione (chimica) senza maschera e a umido, rendendo il processo facilmente scalabile su grandi aree. I metodi di fabbricazione sono unici per il silicio, ma i ricercatori stanno cercando di trasferirli su plastica e vetro. Hanno in programma di collaborare con UC Berkeley per produrre celle solari e cercare di migliorare l'efficienza, oltre a tradurre i metodi in substrati flessibili con potenziale utilizzo nei vetri.