En kiselsolcell skördar solens energi när ljuset färdas ner genom ljusabsorberande kisel. För att minska vikt och kostnad, solceller är tunna, och medan kisel absorberar synligt ljus väl, det fångar mindre än hälften av ljuset i det nära infraröda spektrumet, som utgör en tredjedel av solens energi. Materialets djup begränsar absorptionen. Men tänk om ljuset i cellen kan ledas horisontellt så att kisel kan absorbera sin energi längs cellens bredd snarare än dess djup?

Med ett sådant framsteg i åtanke, Shawn-Yu Lin, professor i fysik, tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer Polytechnic Institute, har byggt en nanostruktur vars kristallgitter böjer ljus när det kommer in i materialet och leder det i en bana parallellt med ytan, känd som "parallell med gränssnittsbrytning". Strukturen är byggd av överlappande nanorör och liknar ett tredimensionellt rutnät av Lincoln Logs. Fotoniska nanokristaller byggda med hjälp av hans process möjliggör extrem "ljusfångning" och kan ha tillämpningar från tunnfilms solceller till fotokemiska funktioner som avkänning och vattensplittring.

"Dessa resultat bevisar att denna effekt existerar, att om du följer mina riktlinjer för enkel kubisk symmetri, du kan böja ljuset med 90 grader. Den fotoniska kristallen tvingar ljuset att böja på ett deterministiskt sätt, snarare än slumpmässig spridning eller yteffekter, "sade Lin." Detta är en ny typ av ljus-materia-interaktion som ligger i hjärtat av vad ljusfångst är avsett att göra. "

I experimentella resultat, som visas i Vetenskapliga rapporter , Lin skapade en fotonisk kristall med titandioxid, ett material med svag absorption av synligt ljus, för att bevisa effekten av effekten. Resultat med användning av en 900 nanometer tjock titandioxid fotonisk nanokristall visade absorptionen förbättrad med en till två storleksordningar större än en referensfilm av samma material för vissa regioner. Lin byggde nanokristallen - först i kisel, nu i titandioxid - baserat på teoretiska förutsägelser från hans medarbetare, Sajeev John, fysiker vid University of Toronto.

Ljusfällning beskriver processen att begränsa ljus till ett visst utrymme, vanligtvis i avsikt att omvandla den till andra energiformer. På ett sätt, material är utformade för att sakta ner ljus, så att det spenderar mer tid i materialet. I den metod Lin använde, ljuset är böjt bort från sin givna väg, får det att resa en längre sträcka inom materialet, I detta fall, hela bredden på en titandioxidskiva.

Ljus böjer sig alltid något när det kommer in i ett material med ett annat optiskt index, något som lätt kan ses när ljuset kommer in i vattnet. I vatten, och många andra material, ljuset böjer sig bara något. Arrangemanget av atomer i titandioxidkristallen Lin skapade matchar skalan för synliga ljusvåglängder, sprider ljus på flera punkter i rymden samtidigt som det rör sig in i gallret. Som en konsekvens, ljus kan inte röra sig som det gör genom rymden eller något kontinuerligt medium. Istället, den är böjd i en trubbig vinkel - ett fenomen som kallas "negativ brytning" - och kanaliseras längs materialets bredd.

För att manipulera flödet av synligt ljus, med våglängder från 400 till 700 nanometer, Lin var pionjär för en metod för att bygga en perfekt symmetrisk kub av nanorör för att matcha ljusets skala. Först, ett lager av titandioxid deponeras på ett substrat. Sedan, ett tunt lager av kromdioxid deponeras för att fungera som en mask för en fotolitografisk process som etsar linjer i titandioxid. När den är klar, ett lösningsmedel används för att avlägsna kvarvarande kromdioxid, slutföra det första lagret med "loggar". För att bygga ytterligare lager, ett lager kiseldioxid deponeras för att fylla hålrummen mellan stockarna, ytan är polerad platt till toppen av det första lagret, och hela processen upprepas i en exakt 90-graders vinkel från det första lagret.

Ett lager av materialet är mindre än 1 miljonedel av en meter - eller mikron - tjockt, men producerades i skivor 100 millimeter breda, ger materialet så mycket som 100, 000 gånger utrymmet för att absorbera ljus.

"Denna upptäckt visar en enorm förbättring av banlängden när man använder ett material som har en mycket låg absorption. Dess upptäckt ändrar namnet på spelet från att bli vertikalt absorberat, absorberas horisontellt i en supertunn struktur, "sa Lin.

Lin och John fick sällskap i sin forskning av Rensselaers postdoktorala forskningsassociater Brian J. Frey och Ping Kuang, och Mei-Li Hsieh från National Chiao-Tung University i Tiawan, och Jian-Hua Jiang, vid Soochow University i Kina. "Effektivt oändlig optisk väglängd skapad med hjälp av en enkel kubisk fotonisk kristall för extremt ljusfångst" publiceras i Vetenskapliga rapporter .

Lins forskning uppfyller The New Polytechnic, ett framväxande paradigm för högre utbildning som erkänner att globala utmaningar och möjligheter är så stora att de inte kan hanteras på lämpligt sätt av ens den mest begåvade personen som arbetar ensam. Rensselaer fungerar som ett vägskäl för samarbete - samarbete med partners inom olika discipliner, sektorer, och geografiska regioner - för att hantera komplexa globala utmaningar, använder de mest avancerade verktygen och teknikerna, varav många är utvecklade på Rensselaer. Forskning vid Rensselaer tar upp några av världens mest angelägna tekniska utmaningar - från energisäkerhet och hållbar utveckling till bioteknik och människors hälsa. The New Polytechnic är transformativ i forskningens globala inverkan, i sin innovativa pedagogik, och i livet för studenter på Rensselaer.