Reduzierung der Reflektivität in Solarzellen und -optiken durch mikro- und nanoskalige Strukturen

Anonim

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 ist.

Die Forscher des 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 Hiszpanski und dem Absolventen von UC Santa Cruz, Juan Diaz Leon, beschrieb die Parameter in einem kürzlich erschienenen Artikel, der von der Fachzeitschrift 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. So 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-Autor des Artikels war. "Die Designregeln für diese hierarchischen Antireflexstrukturen wurden in diesen Größenskalen nicht explizit festgelegt. Ich hoffe, dass sie es anderen ermöglichen, schneller optimale Strukturen mit den von ihren Anwendungen benötigten Antireflexionseigenschaften 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 einlagige 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 gewünscht ist, sind verschiedene Ansätze erforderlich, sagte er.

In der Studie stellte die Gruppe fest, dass der durchschnittliche hemisphärische oder Gesamtreflexionsgrad von Silizium bis zu 38 Prozent betragen kann. Wenn jedoch nur mikroskalige Pyramidenstrukturen in Silizium eingebaut werden, wie es in Solarzellen üblich ist, sinkt der Reflexionsgrad 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 Prozent reduziert werden.

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

Diaz Leon verwendete ein Wellenoptikpaket, um das Verhalten von Mottenaugenstrukturen zu simulieren und sie 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 einen bestimmten Bedarf an 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."

Insbesondere, so Diaz Leon, haben die Forscher durch die Nutzung des Sonnenspektrums herausgefunden, dass regelmäßige mikroskopische Pyramidenstrukturen die Spiegelreflexion - das spiegelnde Reflexionsvermögen von polierten Oberflächen - weitgehend 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 unterschiedlichen Strukturen mit unterschiedlichen Größen konnten die Forscher selektiv spiegelnde und diffuse Reflexionen minimieren. Außerdem lernten sie, dass die Gesamtreflexion für periodische und aperiodische Strukturen ähnlich ist, dass Aperiodizität die Spiegelreflexion reduziert und die diffuse Reflexion erhöht, was nützlich ist, wenn eine spezifische (spiegelnde oder diffuse) Reflexion in Abhängigkeit von der Endanwendung minimiert werden soll.

Hiszpanski fertigte die Proben bei LLNL unter Verwendung aller Masken- und Nassätztechniken, wodurch der Prozess leicht auf große Flächen skalierbar wurde. 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 potentiellem Einsatz in Gläsern zu übertragen.

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