Un primo piano mostra come il quadrato di silicio nanostrutturato blocchi completamente la riflessione rispetto al wafer di silicio circostante. Credito:Brookhaven National Laboratory
Ridurre la quantità di luce solare che rimbalza sulla superficie delle celle solari aiuta a massimizzare la conversione dei raggi solari in elettricità, quindi i produttori utilizzano i rivestimenti per ridurre i riflessi. Ora gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti mostrano che l'incisione di una trama su scala nanometrica sul materiale di silicio stesso crea una superficie antiriflesso che funziona così come i rivestimenti multistrato a film sottile all'avanguardia.
Il loro metodo, descritto nel giornale Comunicazioni sulla natura e presentato per la protezione del brevetto, ha il potenziale per semplificare la produzione di celle solari al silicio e ridurre i costi di produzione. L'approccio può trovare ulteriori applicazioni nella riduzione dell'abbagliamento dalle finestre, fornendo camuffamento radar per attrezzature militari, e aumentando la luminosità dei diodi emettitori di luce.
"Per applicazioni antiriflesso, l'idea è quella di evitare che la luce o le onde radio rimbalzino sulle interfacce tra i materiali, " disse il fisico Charles Black, che ha guidato la ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.
La prevenzione dei riflessi richiede il controllo di un brusco cambiamento nell'"indice di rifrazione, " una proprietà che influenza il modo in cui le onde come la luce si propagano attraverso un materiale. Ciò si verifica all'interfaccia dove si incontrano due materiali con indici di rifrazione molto diversi, per esempio all'interfaccia tra aria e silicio. L'aggiunta di un rivestimento con un indice di rifrazione intermedio all'interfaccia facilita la transizione tra i materiali e riduce la riflessione, Ha spiegato il nero.
"Il problema con l'utilizzo di tali rivestimenti per le celle solari, " Egli ha detto, "è che preferiremmo catturare completamente ogni colore dello spettro luminoso all'interno del dispositivo, e vorremmo catturare la luce indipendentemente dalla direzione da cui proviene. Ma ogni colore della luce si abbina al meglio con un diverso rivestimento antiriflesso, e ogni rivestimento è ottimizzato per la luce proveniente da una particolare direzione. Quindi affronti questi problemi utilizzando più strati antiriflesso. Eravamo interessati a cercare un modo migliore".
Per ispirazione, gli scienziati si sono rivolti a un noto esempio di superficie antiriflesso in natura, gli occhi delle falene comuni. Le superfici dei loro occhi composti hanno modelli strutturati fatti di molti minuscoli "pali, " ciascuna più piccola delle lunghezze d'onda della luce. Questa superficie strutturata migliora la visione notturna delle falene, e impedisce anche al bagliore riflettente "cervo nei fari" che potrebbe consentire ai predatori di rilevarli.
"Abbiamo deciso di ricreare modelli di occhi di falena in silicio a dimensioni ancora più piccole utilizzando metodi di nanotecnologia, "ha detto Atikur Rahman, un borsista post-dottorato che lavora con Black al CFN e primo autore dello studio.
Dettagli della superficie antiriflesso nanostrutturata rivelata da un microscopio elettronico a scansione presso il Center for Functional Nanomaterials. I piccoli posti, ciascuno più piccolo delle lunghezze d'onda della luce, ricordano la struttura degli occhi delle falene, un esempio di superficie antiriflesso che si trova in natura. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati hanno iniziato rivestendo la superficie superiore di una cella solare al silicio con un materiale polimerico chiamato "copolimero a blocchi, " che può essere fatto per auto-organizzarsi in un modello di superficie ordinato con dimensioni che misurano solo decine di nanometri. Il modello autoassemblato serviva da modello per formare post nella cella solare come quelli nell'occhio di falena usando un plasma di gas reattivi -una tecnica comunemente usata nella fabbricazione di circuiti elettronici a semiconduttore.
La nanostruttura superficiale risultante è servita a modificare gradualmente l'indice di rifrazione per ridurre drasticamente la riflessione di molte lunghezze d'onda della luce contemporaneamente, indipendentemente dalla direzione della luce che colpisce la cella solare.
"L'aggiunta di queste nanotexture ha reso la superficie di silicio normalmente lucida assolutamente nera, " ha detto Rahman.
Le celle solari strutturate in questo modo superano di circa il 20% quelle rivestite con un singolo film antiriflesso, e portare luce nel dispositivo, nonché i migliori rivestimenti multistrato utilizzati nel settore.
"Stiamo lavorando per capire se ci sono vantaggi economici nell'assemblare celle solari al silicio con il nostro metodo, rispetto ad altri, processi consolidati nel settore, " disse Nero.
Il livello nascosto spiega prestazioni migliori del previsto
Un aspetto interessante dello studio è stato che gli scienziati hanno ottenuto le prestazioni antiriflesso creando nanopali alti solo la metà dell'altezza richiesta prevista da un modello matematico che descrive l'effetto. Così hanno fatto appello all'esperienza dei colleghi del CFN e di altri scienziati di Brookhaven per aiutare a risolvere il mistero.
Chuck Black del Center for Functional Nanomaterials mostra un quadrato di silicio nanostrutturato sopra un normale wafer di silicio. La superficie nanostrutturata è completamente antiriflesso e potrebbe aumentare la produzione di energia solare dalle celle solari al silicio. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Questo è un potente vantaggio di fare ricerca al CFN, sia per noi che per i ricercatori accademici e industriali che vengono a utilizzare le nostre strutture, " disse Black. "Abbiamo tutti questi esperti in giro che possono aiutarti a risolvere i tuoi problemi."
Utilizzando una combinazione di modelli computazionali, microscopio elettronico, e scienza della superficie, il team ha dedotto che un sottile strato di ossido di silicio simile a quello che si forma tipicamente quando il silicio è esposto all'aria sembrava avere un effetto fuori misura.
"Su una superficie piana, questo strato è così sottile che il suo effetto è minimo, " ha spiegato Matt Eisaman del dipartimento di tecnologie per l'energia sostenibile di Brookhaven e professore alla Stony Brook University. "Ma sulla superficie nanostrutturata, con il sottile strato di ossido che circonda tutti i lati della nanostruttura, l'ossido può avere un effetto maggiore perché costituisce una porzione significativa del materiale nanostrutturato".
Ha detto Nero, "Questo strato 'nascosto' è stata la chiave per aumentare ulteriormente le prestazioni".
Gli scienziati sono ora interessati a sviluppare il loro metodo basato sull'autoassemblaggio di modelli di nanotessiture per altri materiali, compreso vetro e plastica, per finestre antiabbagliamento e rivestimenti per pannelli solari.
