Un primer plano muestra cómo el cuadrado nanotexturizado de silicio bloquea completamente la reflexión en comparación con la oblea de silicio circundante. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Reducir la cantidad de luz solar que rebota en la superficie de las células solares ayuda a maximizar la conversión de los rayos del sol en electricidad. por lo que los fabricantes usan recubrimientos para reducir los reflejos. Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Demuestran que grabar una textura a nanoescala en el material de silicio crea una superficie antirreflectante que funciona tan bien como los recubrimientos multicapa de película fina de última generación.
Su método, descrito en la revista Comunicaciones de la naturaleza y presentado para protección mediante patente, tiene potencial para agilizar la producción de células solares de silicio y reducir los costos de fabricación. El enfoque puede encontrar aplicaciones adicionales para reducir el deslumbramiento de las ventanas, proporcionar camuflaje de radar para equipos militares, y aumentar el brillo de los diodos emisores de luz.
"Para aplicaciones antirreflejos, la idea es evitar que la luz o las ondas de radio reboten en las interfaces entre los materiales, "dijo el físico Charles Black, quien dirigió la investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
La prevención de reflejos requiere controlar un cambio brusco en el "índice de refracción, "una propiedad que afecta la forma en que ondas como la luz se propagan a través de un material. Esto ocurre en la interfaz donde se encuentran dos materiales con índices de refracción muy diferentes, por ejemplo, en la interfaz entre el aire y el silicio. Agregar un recubrimiento con un índice de refracción intermedio en la interfaz facilita la transición entre materiales y reduce la reflexión. Black explicó.
"El problema con el uso de recubrimientos de este tipo para las células solares, " él dijo, "es que preferiríamos capturar completamente todos los colores del espectro de luz dentro del dispositivo, y nos gustaría capturar la luz independientemente de la dirección de la que provenga. Pero cada color de luz se combina mejor con un recubrimiento antirreflejos diferente, y cada recubrimiento está optimizado para la luz proveniente de una dirección particular. Por lo tanto, resuelve estos problemas mediante el uso de múltiples capas antirreflectantes. Estábamos interesados en buscar una mejor manera ".
Por inspiración, los científicos recurrieron a un conocido ejemplo de una superficie antirreflectante en la naturaleza, los ojos de las polillas comunes. Las superficies de sus ojos compuestos tienen patrones de textura formados por muchos "postes" "cada uno más pequeño que las longitudes de onda de la luz. Esta superficie texturizada mejora la visión nocturna de las polillas, y también evita que los "ciervos en los faros delanteros" reflejen un brillo que podría permitir que los depredadores los detecten.
"Nos propusimos recrear patrones de ojos de polilla en silicio en tamaños aún más pequeños utilizando métodos de nanotecnología, "dijo Atikur Rahman, becario postdoctoral que trabaja con Black en el CFN y primer autor del estudio.
Detalles de la superficie antirreflectante nanotexturizada revelados por un microscopio electrónico de barrido en el Centro de Nanomateriales Funcionales. Los postes diminutos cada uno más pequeño que las longitudes de onda de la luz, recuerdan la estructura de los ojos de las polillas, un ejemplo de una superficie antirreflectante que se encuentra en la naturaleza. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los científicos comenzaron recubriendo la superficie superior de una celda solar de silicio con un material polimérico llamado "copolímero de bloque, "que se puede hacer para que se autoorganice en un patrón de superficie ordenado con dimensiones que miden solo decenas de nanómetros. El patrón autoensamblado sirvió como plantilla para formar postes en la célula solar como los del ojo de la polilla usando un plasma de gases reactivos -una técnica comúnmente utilizada en la fabricación de circuitos electrónicos semiconductores.
La nanotextura de la superficie resultante sirvió para cambiar gradualmente el índice de refracción para reducir drásticamente la reflexión de muchas longitudes de onda de luz simultáneamente. independientemente de la dirección de la luz que incide en la célula solar.
"La adición de estas nanotexturas hizo que la superficie de silicio normalmente brillante se volviera absolutamente negra, "Dijo Rahman.
Las células solares texturizadas de esta manera superan en aproximadamente un 20 por ciento a las recubiertas con una sola película antirreflectante. y aportan luz al dispositivo, así como los mejores recubrimientos multicapa utilizados en la industria.
"Estamos trabajando para comprender si existen ventajas económicas al ensamblar células solares de silicio con nuestro método, Comparado a otro, procesos establecidos en la industria, "Dijo Black.
La capa oculta explica un rendimiento mejor de lo esperado
Un aspecto intrigante del estudio fue que los científicos lograron el rendimiento antirreflectante al crear nanopostes de solo la mitad de la altura requerida predicha por un modelo matemático que describe el efecto. Así que recurrieron a la experiencia de colegas de la CFN y otros científicos de Brookhaven para ayudar a resolver el misterio.
Chuck Black del Centro de Nanomateriales Funcionales muestra un cuadrado de silicio nanotexturizado encima de una oblea de silicio ordinaria. La superficie nanotexturizada es completamente antirreflectante y podría impulsar la producción de energía solar a partir de células solares de silicio. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Esta es una poderosa ventaja de hacer investigación en el CFN, tanto para nosotros como para los investigadores académicos e industriales que vienen a utilizar nuestras instalaciones, ", Dijo Black." Tenemos a todos estos expertos alrededor que pueden ayudarlo a resolver sus problemas ".
Usando una combinación de modelado computacional, microscopio de electrones, y ciencia de la superficie, el equipo dedujo que una fina capa de óxido de silicio similar a la que se forma típicamente cuando el silicio se expone al aire parecía tener un efecto descomunal.
"Sobre una superficie plana, esta capa es tan fina que su efecto es mínimo, ", explicó Matt Eisaman del Departamento de Tecnologías de Energía Sostenible de Brookhaven y profesor de la Universidad de Stony Brook". Pero en la superficie nanopatterned, con la fina capa de óxido que rodea todos los lados de la nanotextura, el óxido puede tener un efecto mayor porque constituye una parte significativa del material nanotexturizado ".
Dijo Black, "Esta capa 'oculta' fue la clave para el impulso adicional en el rendimiento".
Los científicos ahora están interesados en desarrollar su método basado en el autoensamblaje de patrones de nanotexturas para otros materiales. incluyendo vidrio y plástico, para ventanas antideslumbrantes y revestimientos para paneles solares.
