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reducción de la reflectividad en células solares y óptica con estructuras de micro y nanoescala

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reducción de la reflectividad en células solares y óptica con estructuras de micro y nanoescala

2017-01-12

un equipo de laboratorio nacional lawrence livermore dirigido por anna hiszpanski ha diseñado pautas para una alternativa a los recubrimientos antirreflectantes en dispositivos ópticos tales como celdas solares, gafas y cámaras, al diseñar sus superficies con capas de estructuras jerárquicas de longitud micro y nanométrica. crédito: laboratorio nacional lawrence livermore


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 recubrimiento antirreflectante, pero esa no siempre es la mejor solución, dependiendo de la aplicación.


Los investigadores del laboratorio nacional lawrence livermore (llnl) han presentado pautas para una alternativa a los recubrimientos antirreflectantes en dispositivos ópticos como celdas solares, gafas y cámaras, descubriendo que la reflectividad de la óptica de silicio puede reducirse a tan solo 1 por ciento mediante ingeniería sus superficies con capas de estructuras jerárquicas de micro y nanómetros.


un equipo de investigadores de lnl, dirigido por la ingeniera química anna hiszpanski y la estudiante de posgrado de uc santa cruz juan diaz leon, describieron los parámetros en un artículo reciente publicado por la revista Advanced Optical Materials. la tecnología tiene sus raíces en la naturaleza, imitando las estructuras jerárquicas que se encuentran en el ojo de una polilla, lo que les permite absorber más luz y navegar mejor en la oscuridad.


\"Es un enfoque antirreflectante diferente\", dijo hiszpanski, que realizó los experimentos y fue el co-autor principal del artículo. \"Las reglas de diseño para estas estructuras anti-reflejantes jerárquicas no se han establecido explícitamente en estas escalas de tamaño. Espero que permitan a otros diseñar y fabricar estructuras óptimas con las propiedades antirreflejantes que necesitan sus aplicaciones \".


Los reflejos de las superficies pueden ser un gran desafío en óptica, según Díaz Leon, quien realizó las simulaciones por computadora. típicamente, los recubrimientos anti-reflejo de una sola capa se usan para contrarrestarlo, usando 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 a través de múltiples longitudes de onda y ángulos de visión, se necesitan diferentes enfoques, dijo.


en el estudio, el grupo descubrió que la reflectancia promedio hemisférica o total del silicio puede llegar al 38 por ciento, pero si solo las estructuras piramidales a microescala se diseñan en silicio, como es común en las células solares, la reflectancia cae a alrededor del 11 por ciento. sin embargo, al apilar matrices de tamaño micro y nano en la parte superior de las estructuras más grandes, la reflectividad total puede reducirse a tan poco como entre 1 por ciento y 2 por ciento, independientemente del ángulo de entrada de luz.


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


diaz leon usó un paquete de ondas ópticas para simular el comportamiento de las estructuras de ojo de polilla, combinándolas de forma jerárquica. los investigadores se dieron cuenta de que la periodicidad de las estructuras (recurrencia) modificaba sus propiedades antirreflexivas, por lo que simularon estructuras con un tamaño similar, pero introdujeron aperiodicidad para comprender mejor este efecto.


\"Con estas simulaciones, pudimos idear un conjunto de reglas de diseño para combinar diferentes estructuras de ojo de polilla jerárquicamente para una necesidad específica en propiedades antirreflectantes\", dijo Diaz Leon. \"Descubrimos que al combinar estructuras de ojo de polilla de diferentes tamaños, no solo puede reducir las reflexiones en la región de longitud de onda que se supone que deben operar (siguiendo la regla empírica previamente conocida), sino que también puede reducir las reflexiones a una longitud de onda dada distancia.\"


específicamente, dijo Diaz Leon, al usar el espectro solar como objetivo, los investigadores descubrieron que las estructuras piramidales de microescala reducen en gran medida la reflectancia especular -la reflectancia similar a un espejo que se encuentra en superficies pulidas- mientras que las estructuras pequeñas a escala nanométrica reducen la reflectancia difusa , que consiste en reflexiones provenientes de ángulos diferentes al ángulo de reflectancia especular principal. al combinar dos estructuras diferentes con tamaños variados, los investigadores podrían minimizar selectivamente las reflectancias especular y difusa. también, aprendieron que si bien la reflectancia global para estructuras periódicas y aperiódicas era similar, la aperiodicidad reduce la reflectancia especular y aumenta la reflectancia difusa, útil cuando se trata de minimizar una reflectancia específica (especular o difusa) dependiendo de la aplicación final.


hiszpanski fabricó las muestras en llnl utilizando todas las técnicas de máscara y grabado en húmedo (químicas), lo que hace que el proceso sea fácilmente escalable en grandes áreas. los métodos de fabricación son exclusivos del silicio, pero los investigadores están buscando 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 uso potencial en gafas.


fuente: phys


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