Att minska mängden solljus som studsar från solcellens yta hjälper till att maximera omvandlingen av solens strålar till elektricitet, så tillverkare använder beläggningar för att minska reflektionerna. Nu visar forskare vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory att etsning av en nanoskala-textur på själva kiselmaterialet skapar en antireflekterande yta som fungerar lika bra som toppmoderna tunnfilmslager.

Deras metod, beskrivs i tidningen Naturkommunikation och lämnade in för patentskydd, har potential att effektivisera solcellsproduktion av kisel och minska tillverkningskostnaderna. Tillvägagångssättet kan hitta ytterligare applikationer för att minska bländning från fönster, tillhandahålla radarkamouflage för militär utrustning, och öka ljusstyrkan hos ljusemitterande dioder.

"För antirefleksapplikationer, tanken är att förhindra ljus eller radiovågor från att studsa vid gränssnitt mellan material, "sa fysikern Charles Black, som ledde forskningen vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials, en DOE Office of Science User Facility.

Att förhindra reflektioner kräver att man kontrollerar en plötslig förändring av "brytningsindex, "en egenskap som påverkar hur vågor som ljus sprids genom ett material. Detta sker vid gränssnittet där två material med mycket olika brytningsindex möts, till exempel vid gränssnittet mellan luft och kisel. Att lägga till en beläggning med ett mellanliggande brytningsindex vid gränssnittet underlättar övergången mellan material och minskar reflektionen, Svart förklarade.

"Problemet med att använda sådana beläggningar för solceller, " han sa, "är att vi föredrar att helt fånga varje färg på ljusspektrumet i enheten, och vi vill fånga ljuset oavsett i vilken riktning det kommer. Men varje ljusfärg passar bäst med en annan antireflexbeläggning, och varje beläggning är optimerad för ljus som kommer från en viss riktning. Så du hanterar dessa problem genom att använda flera antireflektionslager. Vi var intresserade av att leta efter ett bättre sätt. "

För inspiration, forskarna vände sig till ett välkänt exempel på en antireflekterande yta i naturen, ögonen på vanliga malar. Ytorna på deras sammansatta ögon har strukturerade mönster gjorda av många små "stolpar, "var och en mindre än ljusets våglängder. Denna texturerade yta förbättrar nattfjärilarnas nattseende, och förhindrar också att "rådjuret i strålkastarna" reflekterar glöd som kan tillåta rovdjur att upptäcka dem.

"Vi bestämde oss för att återskapa möllögonmönster i kisel i ännu mindre storlekar med metoder för nanoteknik, "sa Atikur Rahman, en postdoktor som arbetar med Black på CFN och första författare till studien.

Forskarna började med att belägga den övre ytan av en kiselsolcell med ett polymermaterial som kallas "block -sampolymer, "som kan göras för att självorganisera till ett ordnat ytmönster med dimensioner som mäter endast tiotals nanometer. Det självmonterade mönstret fungerade som en mall för att bilda stolpar i solcellen som de i malögat med hjälp av en plasma av reaktiva gaser -en teknik som vanligtvis används vid tillverkning av halvledarelektroniska kretsar.

Den resulterande ytnanoteksturen tjänade till att gradvis ändra brytningsindexet för att drastiskt minska på reflektion av många våglängder av ljus samtidigt, oavsett ljusets riktning som påverkar solcellen.

"Om man lägger till dessa nanokomponenter blev den normalt blanka kiselytan helt svart, "Sa Rahman.

Solceller strukturerade på detta sätt överträffar dem som är belagda med en enda antireflekterande film med cirka 20 procent, och få ljus in i enheten samt de bästa flerlagersbeläggningarna som används i branschen.

"Vi arbetar för att förstå om det finns ekonomiska fördelar med att montera kiselsolceller med vår metod, jämfört med andra, etablerade processer i branschen, "Sa svart.

Dold lager förklarar bättre prestanda än väntat

En spännande aspekt av studien var att forskarna uppnådde den antireflekterande prestandan genom att skapa nanoposter bara hälften så höga som den önskade höjden som förutses av en matematisk modell som beskriver effekten. Så de uppmanade expertisen hos kollegor vid CFN och andra Brookhaven -forskare att hjälpa till att reda ut mysteriet.

"Detta är en kraftfull fördel med att forska på CFN-både för oss och för akademiska och industriella forskare som kommer att använda våra faciliteter, "Black sa." Vi har alla dessa experter som kan hjälpa dig att lösa dina problem. "

Med hjälp av en kombination av beräkningsmodellering, elektronmikroskopi, och ytvetenskap, teamet drog slutsatsen att ett tunt lager kiseloxid som liknar det som vanligtvis bildas när kisel utsätts för luft tycktes ha en överdimensionerad effekt.

"På en plan yta, detta lager är så tunt att dess effekt är minimal, "förklarade Matt Eisaman från Brookhavens avdelning för hållbar energiteknik och professor vid Stony Brook University." Men på den nanopatronerade ytan, med det tunna oxidskiktet som omger alla sidor av nanoteksturen, oxiden kan ha en större effekt eftersom den utgör en betydande del av det nanotekstruerade materialet. "

Sa Black, "Det här" dolda "lagret var nyckeln till den extra prestandahöjningen."

Forskarna är nu intresserade av att utveckla sin självmonteringsbaserade metod för nanoteksturmönster för andra material, inklusive glas och plast, för antireflexfönster och beläggningar för solpaneler.