Quando se trata de células solares, menos é mais - quanto menos suas superfícies refletem os raios de sol, mais energia pode ser gerada. Uma solução típica para o problema de refletividade é um revestimento anti-reflexo, mas nem sempre é a melhor solução, dependendo da aplicação.

Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) criaram diretrizes para uma alternativa aos revestimentos anti-reflexos em dispositivos ópticos, como células solares, óculos e câmeras, descobrir que a refletividade da ótica de silício pode ser reduzida a apenas 1 por cento pela engenharia de suas superfícies com camadas de estruturas de comprimento micro e nanométrico hierárquicas.

Uma equipe de pesquisadores LLNL, liderado pela engenheira química Anna Hiszpanski e o estudante de graduação da UC Santa Cruz Juan Diaz Leon, descreveu os parâmetros em um artigo recente publicado pela revista. Materiais Óticos Avançados . A tecnologia tem suas raízes na natureza, imitando as estruturas hierárquicas encontradas no olho de uma mariposa, permitindo-lhes absorver mais luz e navegar melhor na escuridão.

"É uma abordagem anti-reflexiva diferente, "disse Hiszpanski, que realizou os experimentos e foi o co-autor principal do artigo. "As regras de design para essas estruturas anti-reflexivas hierárquicas não foram explicitamente estabelecidas nessas escalas de tamanho. Tenho esperança de que elas permitirão que outros projetem e fabricem estruturas ideais com as propriedades anti-reflexivas necessárias para seus aplicativos mais rapidamente. "

Os reflexos de superfícies podem ser um grande desafio em óptica, de acordo com Diaz Leon, quem realizou as simulações de computador. Tipicamente, revestimentos anti-reflexo de camada única são usados ​​para combatê-lo, usando interferência destrutiva para eliminar reflexos para apenas uma faixa estreita de comprimentos de onda e ângulos de visão. Contudo, quando a refletividade reduzida em vários comprimentos de onda e ângulos de visão é desejada, diferentes abordagens são necessárias, ele disse.

No estudo, o grupo descobriu que a refletância hemisférica ou total média do silício pode ser de até 38 por cento, mas se apenas estruturas piramidais em microescala forem projetadas em silício, como é comum em células solares, refletância cai para cerca de 11 por cento. Contudo, empilhando matrizes de micro e nano tamanho no topo das estruturas maiores, a refletividade total pode ser reduzida entre 1% e 2%, independentemente do ângulo da luz incidente.

Se as células solares pudessem ser texturizadas para coletar mais luz em todos os ângulos, Hiszpanski disse, eles não teriam que ser rastreados com a posição do sol no céu e poderiam ser potencialmente mais eficientes na conversão de energia. Quando usado em óculos, estruturas hierárquicas podem eliminar a refletividade e o brilho sem produzir o efeito de cor verde ou roxo que os atuais revestimentos de vidro antirreflexo têm. As câmeras seriam capazes de tirar fotos com pouca luz. A tecnologia também pode ser traduzida em telescópios e óptica de difração.

Diaz Leon usou um pacote óptico de ondas para simular o comportamento das estruturas do olho da mariposa, combinando-os de forma hierárquica. Os pesquisadores perceberam que a periodicidade das estruturas (recorrência) modificou suas propriedades anti-reflexo, então, eles simularam estruturas com um tamanho semelhante, mas introduziram a aperiodicidade para entender melhor esse efeito.

"Com essas simulações, conseguimos criar um conjunto de regras de design para combinar diferentes estruturas de olho de mariposa hierarquicamente para uma necessidade específica de propriedades anti-reflexo, "Diaz Leon disse." Descobrimos que, ao combinar estruturas do olho da traça de diferentes tamanhos, você não pode apenas reduzir os reflexos na região do comprimento de onda que eles deveriam operar (seguindo a regra prática anteriormente conhecida), mas você também pode reduzir ainda mais os reflexos em uma determinada faixa de comprimento de onda. "

Especificamente, Diaz Leon disse, usando o espectro solar como alvo, os pesquisadores aprenderam que estruturas piramidais em microescala regulares reduzem amplamente a refletância especular - a refletância semelhante a um espelho encontrada em superfícies polidas - enquanto as estruturas em pequena escala nanométrica reduzem a refletância difusa, que consiste em reflexões provenientes de ângulos diferentes do ângulo de refletância especular principal. Ao combinar duas estruturas diferentes com tamanhos variados, os pesquisadores poderiam minimizar seletivamente as refletâncias especulares e difusas. Também, eles aprenderam que, embora a refletância geral para estruturas periódicas e aperiódicas fosse semelhante, a aperiodicidade reduz a refletância especular e aumenta a refletância difusa, útil ao tentar minimizar uma refletância específica (especular ou difusa) dependendo da aplicação final.

Hiszpanski fabricou as amostras no LLNL usando todas as técnicas sem máscara e corrosão úmida (química), tornando o processo facilmente escalável para grandes áreas. Os métodos de fabricação são exclusivos do silício, mas os pesquisadores estão tentando transferi-los para plásticos e vidro. Eles planejam colaborar com a UC Berkeley para fazer células solares e tentar melhorar a eficiência, bem como traduzir os métodos para substratos flexíveis com potencial uso em vidros.