Их метод, описанный в журнале Nature Communications и представленный на патентную защиту, имеет потенциал для оптимизации производства кремниевых солнечных элементов и снижения производственных затрат. Этот подход может найти дополнительные применения в уменьшении бликов от окон, обеспечении радиолокационной маскировки военной техники и увеличении яркости светодиодов.«Идея антиотражающих приложений состоит в том, чтобы не допустить отражения света или радиоволн на границах раздела между материалами», — сказал физик Чарльз Блэк, руководивший исследованием в Центре функциональных наноматериалов (CFN) лаборатории Брукхейвена.
Для предотвращения отражений необходимо контролировать резкое изменение «показателя преломления» — свойства, которое влияет на то, как волны, такие как свет, распространяются через материал. Это происходит на границе раздела, где встречаются два материала с очень разными показателями преломления, например, на границе между воздухом и кремнием. По словам Блэка, добавление покрытия с промежуточным показателем преломления на границе раздела облегчает переход между материалами и снижает отражение.«Проблема с использованием таких покрытий для солнечных элементов, — сказал он, — заключается в том, что мы предпочли бы полностью улавливать каждый цвет светового спектра внутри устройства, и мы хотели бы улавливать свет независимо от того, в каком направлении он идет. от.
Но каждый цвет света лучше всего сочетается с другим просветляющим покрытием, и каждое покрытие оптимизировано для света, исходящего с определенного направления. Таким образом, вы решаете эти проблемы, используя несколько антиотражающих слоев.
Мы были заинтересованы в поиске лучшего способа. "За вдохновением ученые обратились к хорошо известному в природе образцу антиотражающей поверхности — глазам обыкновенной моли. Поверхности их сложных глаз имеют текстурированные узоры, состоящие из множества крошечных «столбиков», каждый из которых меньше длины волны света. Эта текстурированная поверхность улучшает ночное зрение бабочек, а также предотвращает отражение свечения «оленей в свете фар», которое может позволить хищникам их обнаружить.«Мы намеревались воссоздать узор глаз мотылька в кремнии даже меньшего размера, используя методы нанотехнологии», — сказал Атикур Рахман, научный сотрудник, работающий с Блэком в CFN и первый автор исследования.
Ученые начали с покрытия верхней поверхности кремниевого солнечного элемента полимерным материалом, называемым «блок-сополимером», который можно заставить самоорганизовываться в упорядоченный поверхностный узор с размерами всего в десятки нанометров. Самособирающийся узор служил шаблоном для формирования столбов в солнечном элементе, например, в глазу мотылька, с использованием плазмы химически активных газов — метод, обычно используемый при производстве полупроводниковых электронных схем.
Результирующая нанотекстура поверхности служила для постепенного изменения показателя преломления, чтобы резко сократить отражение света с множеством длин волн одновременно, независимо от направления света, падающего на солнечный элемент.«Добавление этих наноструктур сделало обычно блестящую поверхность кремния абсолютно черной», — сказал Рахман.
Текстурированные таким образом солнечные элементы примерно на 20 процентов превосходят те, которые покрыты одной просветляющей пленкой, и пропускают свет в устройство, а также лучшие многослойные покрытия, используемые в отрасли.«Мы работаем над тем, чтобы понять, есть ли экономические преимущества у сборки кремниевых солнечных элементов с использованием нашего метода по сравнению с другими общепринятыми процессами в отрасли», — сказал Блэк.Скрытый слой объясняет производительность лучше, чем ожидалось
Один интригующий аспект исследования заключался в том, что ученые достигли антиотражающих характеристик, создав нанопосты, высота которых вдвое меньше требуемой высоты, предсказываемой математической моделью, описывающей эффект. Поэтому они обратились к коллегам из CFN и другим ученым Брукхейвена, чтобы помочь разгадать загадку.«Это мощное преимущество проведения исследований в CFN — как для нас, так и для академических и промышленных исследователей, приезжающих на наши объекты», — сказал Блэк. «У нас есть все эти эксперты, которые могут помочь вам решить ваши проблемы».Используя комбинацию компьютерного моделирования, электронной микроскопии и науки о поверхности, команда пришла к выводу, что тонкий слой оксида кремния, подобный тому, который обычно образуется, когда кремний подвергается воздействию воздуха, по-видимому, оказывает огромное влияние.
«На плоской поверхности этот слой настолько тонкий, что его воздействие минимально», — пояснил Мэтт Эйсаман из Брукхейвенского отделения устойчивых энергетических технологий и профессор Университета Стони Брук. «Но на поверхности с наночастицами, с тонким слоем оксида, окружающим все стороны нанотекстуры, оксид может иметь больший эффект, потому что он составляет значительную часть материала с нанотекстурой».Блэк сказал: «Этот« скрытый »слой был ключом к дополнительному повышению производительности».
В настоящее время ученые заинтересованы в разработке своего метода формирования рисунка нанотекстур на основе самосборки для других материалов, включая стекло и пластик, для антибликовых окон и покрытий для солнечных панелей.Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.