Cuando se trata de células solares, menos es más:cuanto menos reflejen sus superficies los rayos del sol, más energía se puede generar. Una solución típica al problema de la reflectividad es un revestimiento antirreflectante, pero puede que no siempre sea la mejor solución, dependiendo de la aplicación.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han elaborado pautas para una alternativa a los recubrimientos antirreflectantes en dispositivos ópticos como las células solares, gafas y cámaras, descubriendo que la reflectividad de la óptica de silicio se puede reducir a tan solo un 1 por ciento mediante la ingeniería de sus superficies con capas de estructuras jerárquicas de longitud micro y nanométrica.

Un equipo de investigadores del LLNL, dirigido por la ingeniera química Anna Hiszpanski y el estudiante graduado de UC Santa Cruz Juan Díaz León, describió los parámetros en un artículo reciente publicado por la revista Materiales ópticos avanzados . La tecnología tiene sus raíces en la naturaleza, imitando las estructuras jerárquicas que se encuentran en el ojo de una polilla, permitiéndoles absorber más luz y navegar mejor en la oscuridad.

"Es un enfoque antirreflectante diferente, "dijo Hiszpanski, quien realizó los experimentos y fue el coautor principal del artículo. "Las reglas de diseño para estas estructuras antirreflectantes jerárquicas no se han establecido explícitamente en estas escalas de tamaño. Tengo la esperanza de que permitan a otros diseñar y fabricar estructuras óptimas más rápidamente con las propiedades antirreflectantes necesarias para sus aplicaciones. "

Los reflejos de las superficies pueden ser un gran desafío en óptica, según Díaz León, quien realizó las simulaciones por computadora. Típicamente, Se utilizan recubrimientos antirreflejos de una sola capa para contrarrestarlo, utilizando interferencia destructiva para eliminar reflejos solo para una banda estrecha de longitudes de onda y ángulos de visión. Sin embargo, cuando se desea una reflectividad reducida en múltiples longitudes de onda y ángulos de visión, se necesitan diferentes enfoques, él dijo.

En el estudio, el grupo encontró que la reflectancia hemisférica o total promedio del silicio puede ser de hasta un 38 por ciento, pero si solo las estructuras piramidales a microescala se transforman en silicio, como es común en las células solares, la reflectancia desciende a alrededor del 11 por ciento. Sin embargo, apilando matrices de tamaño micro y nano encima de las estructuras más grandes, La reflectividad total se puede reducir a tan solo entre el 1 y el 2 por ciento, independientemente del ángulo de la luz entrante.

Si las células solares pudieran tener una textura para recolectar más luz en todos los ángulos, Hiszpanski dijo:no tendrían que ser rastreados con la posición del sol en el cielo y potencialmente podrían ser más eficientes en la conversión de energía. Cuando se usa en anteojos, Las estructuras jerárquicas podrían eliminar la reflectividad y el deslumbramiento sin producir el efecto de color verde o púrpura que tienen los revestimientos de vidrio antirreflectantes actuales. Las cámaras podrían tomar fotos con poca luz. La tecnología también podría traducirse a telescopios y ópticas de difracción.

Díaz León utilizó un paquete de óptica de ondas para simular el comportamiento de las estructuras de los ojos de las polillas, combinándolos de forma jerárquica. Los investigadores se dieron cuenta de que la periodicidad de las estructuras (recurrencia) modificaba sus propiedades antirreflejos, por lo que simularon estructuras con un tamaño similar pero introdujeron la aperiodicidad para comprender mejor este efecto.

"Con estas simulaciones, pudimos crear un conjunto de reglas de diseño para combinar diferentes estructuras de ojos de polilla jerárquicamente para una necesidad específica en propiedades antirreflejos, "Dijo Díaz León." Descubrimos que al combinar estructuras de ojos de polilla de diferentes tamaños, No solo puede reducir los reflejos en la región de longitud de onda que se supone que deben operar (siguiendo la regla práctica previamente conocida), pero también puede reducir aún más los reflejos en un rango de longitud de onda determinado ".

Específicamente, Diaz Leon dijo, utilizando el espectro solar como objetivo, Los investigadores descubrieron que las estructuras piramidales regulares a microescala reducen en gran medida la reflectancia especular, la reflectancia similar a un espejo que se encuentra en las superficies pulidas, mientras que las estructuras a pequeña escala nanométrica reducen la reflectancia difusa. que consiste en reflexiones que provienen de ángulos diferentes al ángulo de reflectancia especular principal. Combinando dos estructuras diferentes con tamaños variados, los investigadores pudieron minimizar selectivamente las reflectancias especulares y difusas. También, aprendieron que, si bien la reflectancia general para las estructuras periódicas y aperiódicas era similar, la aperiodicidad reduce la reflectancia especular y aumenta la reflectancia difusa, útil cuando se intenta minimizar una reflectancia específica (especular o difusa) dependiendo de la aplicación final.

Hiszpanski fabricó las muestras en LLNL utilizando todas las técnicas de grabado (químico) húmedo y sin máscara, haciendo que el proceso sea fácilmente escalable a grandes áreas. Los métodos de fabricación son exclusivos del silicio, pero los investigadores buscan transferirlos a plásticos y vidrio. Planean colaborar con UC Berkeley para fabricar células solares y tratar de mejorar la eficiencia. así como traducir los métodos a sustratos flexibles con potencial uso en vidrios.