När det gäller solceller, mindre är mer - ju mindre deras ytor reflekterar solens strålar, desto mer energi kan genereras. En typisk lösning på problemet med reflektivitet är en antireflekterande beläggning, men det kanske inte alltid är den bästa lösningen, beroende på applikationen.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har kommit med riktlinjer för ett alternativ till antireflekterande beläggningar på optiska enheter som solceller, glasögon och kameror, att upptäcka att kiseloptikens reflektivitet kan reduceras till så lite som 1 procent genom att konstruera deras ytor med lager av hierarkiska mikro- och nanometerlängdstrukturer.

Ett team av LLNL -forskare, ledd av kemiingenjör Anna Hiszpanski och doktorand Juan Diaz Leon vid UC Santa Cruz, beskrev parametrarna i en tidning som publicerades nyligen av tidskriften Avancerade optiska material . Tekniken har sina rötter i naturen, härma de hierarkiska strukturerna som finns i ögat på en nattfjäril, så att de kan absorbera mer ljus och bättre navigera i mörkret.

"Det är ett annorlunda antireflekterande tillvägagångssätt, "sade Hiszpanski, som utförde experimenten och var medförfattare på tidningen. "Designreglerna för dessa hierarkiska antireflekterande strukturer har inte uttryckligen fastställts i dessa storleksskalor. Jag hoppas att de kommer att göra det möjligt för andra att snabbare utforma och tillverka optimala strukturer med de antireflekterande egenskaperna som behövs för deras applikationer. "

Reflektioner från ytor kan vara en stor utmaning inom optik, enligt Diaz Leon, som utförde datasimuleringarna. Vanligtvis, enkellagers antireflexbeläggningar används för att motverka det, genom att använda destruktiv interferens för att eliminera reflektioner för endast ett smalt band av våglängder och betraktningsvinklar. Dock, när minskad reflektivitet över flera våglängder och betraktningsvinklar önskas, olika tillvägagångssätt behövs, han sa.

I studien, gruppen fann att den genomsnittliga halvklotformiga eller totala reflektansen av kisel kan vara så mycket som 38 procent, men om bara mikroskala pyramidala strukturer konstrueras till kisel, som vanligt i solceller, reflektans sjunker till cirka 11 procent. Dock, genom att stapla mikro- och nanostorlekar ovanpå de större strukturerna, total reflektivitet kan reduceras till så lite som mellan 1 procent och 2 procent oavsett vinkel på inkommande ljus.

Om solceller kunde vara strukturerade för att samla mer ljus i alla vinklar, Hiszpanski sa, de skulle inte behöva spåras med solens position på himlen och kan eventuellt vara mer effektiva vid omvandling av energi. Vid användning i glasögon, hierarkiska strukturer kan eliminera reflektivitet och bländning utan att producera den gröna eller lila färgeffekten som nuvarande antireflekterande glasbeläggningar har. Kameror skulle kunna ta bilder i svagare ljus. Tekniken kan också översättas till teleskop och diffraktionsoptik.

Diaz Leon använde ett vågoptikpaket för att simulera beteendet hos malögonstrukturer, att kombinera dem på ett hierarkiskt sätt. Forskarna insåg att strukturernas periodicitet (återfall) modifierade deras antireflexegenskaper, så de simulerade strukturer med en liknande storlek men introducerade aperiodicitet för att bättre förstå denna effekt.

"Med dessa simuleringar vi kunde komma med en uppsättning designregler för att kombinera olika mothögstrukturer hierarkiskt för ett specifikt behov av antireflexegenskaper, "Diaz Leon." Vi fann att genom att kombinera moth-eye strukturer av olika storlekar, du kan inte bara minska reflektioner vid det våglängdsområde de ska fungera (enligt den tidigare kända tumregeln), men du kan också ytterligare reducera reflektioner vid ett givet våglängdsområde. "

Specifikt, Diaz Leon sa:genom att använda solspektrumet som mål, forskarna lärde sig att vanliga mikroskala pyramidala strukturer i stor utsträckning minskar spekulär reflektans-den spegelliknande reflektansen som finns i polerade ytor-medan de små nanometerskalstrukturerna minskar diffus reflektans, som består av reflektioner som kommer från andra vinklar än den huvudsakliga reflekterande reflektionsvinkeln. Genom att kombinera två olika strukturer med olika storlekar, forskarna kunde selektivt minimera spekulära och diffusa reflektioner. Också, de lärde sig att medan den övergripande reflektansen för periodiska och aperiodiska strukturer var liknande, aperiodicitet minskar spegelreflektion och ökar diffus reflektans, användbart när man försöker minimera en specifik (spekulär eller diffus) reflektans beroende på slutapplikationen.

Hiszpanski tillverkade proverna vid LLNL med alla maskfria och våta etsningstekniska (kemiska) tekniker, gör processen lätt skalbar till stora områden. Tillverkningsmetoderna är unika för kisel, men forskare vill överföra dem till plast och glas. De planerar att samarbeta med UC Berkeley för att göra solceller och försöka förbättra effektiviteten, samt översätta metoderna till flexibla substrat med potentiell användning i glasögon.