Uma célula solar de silício coleta a energia do sol conforme a luz viaja para baixo através do silício absorvente de luz. Para reduzir peso e custo, as células solares são finas, e enquanto o silício absorve bem a luz visível, ele captura menos da metade da luz no espectro infravermelho próximo, que compõe um terço da energia do sol. A profundidade do material limita a absorção. Mas e se a luz dentro da célula pudesse ser canalizada horizontalmente de forma que o silício pudesse absorver sua energia ao longo da largura da célula, em vez de sua profundidade?

Com esse avanço em mente, Shawn-Yu Lin, professor de física, física aplicada, e astronomia no Rensselaer Polytechnic Institute, construiu uma nanoestrutura cuja estrutura cristalina dobra a luz à medida que ela entra no material e a direciona em um caminho paralelo à superfície, conhecido como "refração paralela à interface". A estrutura é construída com nanotubos sobrepostos e se assemelha a uma grade tridimensional feita de registros de Lincoln. Nanocristais fotônicos construídos usando seu processo permitem "captura de luz" extrema e podem ter aplicações de células solares de filme fino a funções fotoquímicas, como detecção e divisão de água.

“Esses resultados comprovam que esse efeito existe, que se você seguir minhas diretrizes de simetria cúbica simples, você pode dobrar a luz em 90 graus. O cristal fotônico força a luz a dobrar de maneira determinística, em vez de dispersão aleatória ou efeitos de superfície, "disse Lin." Este é um novo tipo de interação luz-matéria que está no cerne do que a captura de luz se destina a fazer. "

Em resultados experimentais, que aparecem em Relatórios Científicos , Lin criou um cristal fotônico usando dióxido de titânio, um material com fraca absorção de luz visível, para provar o sucesso do efeito. Os resultados usando um nanocristal fotônico de dióxido de titânio com 900 nanômetros de espessura mostraram absorção aumentada em uma a duas ordens de magnitude maior do que um filme de referência do mesmo material para algumas regiões. Lin construiu o nanocristal - primeiro em silício, agora em dióxido de titânio - com base nas previsões teóricas de seu colaborador, Sajeev John, um físico da Universidade de Toronto.

A captura de luz descreve o processo de confinar a luz a um determinado espaço, geralmente com a intenção de convertê-lo em outras formas de energia. Em uma abordagem, os materiais são projetados para reduzir a velocidade da luz, para que fique mais tempo no material. Na abordagem que Lin usou, a luz é desviada de seu caminho dado, fazendo com que viaje uma distância maior dentro do material, nesse caso, toda a largura de um wafer de dióxido de titânio.

A luz sempre se curva um pouco ao entrar em um material com um índice óptico diferente, algo facilmente visto quando a luz entra na água. Na água, e muitos outros materiais, a luz se curva apenas ligeiramente. O arranjo dos átomos no cristal de dióxido de titânio que Lin criou corresponde à escala dos comprimentos de onda da luz visível, espalhar luz em vários pontos no espaço simultaneamente à medida que se move para a rede. Como consequência, a luz não pode se mover como o faz através do espaço ou de qualquer meio contínuo. Em vez de, ele é dobrado em um ângulo obtuso - um fenômeno conhecido como "refração negativa" - e canalizado ao longo da largura do material.

Para manipular o fluxo de luz visível, com comprimentos de onda que variam de 400 a 700 nanômetros, Lin foi pioneira em um método de construção de um cubo de nanotubos perfeitamente simétrico para corresponder à escala da luz. Primeiro, uma camada de dióxido de titânio é depositada em um substrato. Então, uma fina camada de dióxido de cromo é depositada para servir como uma máscara para um processo fotolitográfico que grava linhas no dióxido de titânio. Depois de concluído, um solvente é usado para remover o dióxido de cromo restante, completando a primeira camada de "logs". Para construir camadas adicionais, uma camada de dióxido de silício é depositada para preencher as cavidades entre as toras, a superfície é polida até o topo da primeira camada, e todo o processo é repetido em um ângulo preciso de 90 graus a partir da primeira camada.

Uma camada do material tem menos de 1 milionésimo de metro - ou mícron - de espessura, mas foi produzido em wafers de 100 milímetros de largura, dando ao material até 100, 000 vezes o espaço para absorver luz.

"Esta descoberta prova um grande aprimoramento no comprimento do caminho ao usar um material que tem uma absorção muito baixa. Sua descoberta muda o nome do jogo de absorvido verticalmente, para absorvido horizontalmente em uma estrutura super fina, "disse Lin.

Lin e John foram acompanhados em sua pesquisa pelos associados de pós-doutorado de Rensselaer, Brian J. Frey e Ping Kuang, e Mei-Li Hsieh da National Chiao-Tung University em Tiawan, e Jian-Hua Jiang, da Soochow University na China. "Comprimento de caminho óptico efetivamente infinito criado usando um cristal fotônico cúbico simples para captura extrema de luz" é publicado em Relatórios Científicos .

A pesquisa de Lin cumpre The New Polytechnic, um paradigma emergente para o ensino superior que reconhece que os desafios e oportunidades globais são tão grandes que não podem ser enfrentados de forma adequada mesmo pela pessoa mais talentosa que trabalha sozinha. Rensselaer serve como uma encruzilhada para a colaboração, trabalhando com parceiros em todas as disciplinas, setores, e regiões geográficas - para enfrentar desafios globais complexos, usando as ferramentas e tecnologias mais avançadas, muitos dos quais são desenvolvidos em Rensselaer. A pesquisa em Rensselaer aborda alguns dos desafios tecnológicos mais urgentes do mundo - desde a segurança energética e o desenvolvimento sustentável até a biotecnologia e a saúde humana. O Novo Politécnico é transformador no impacto global da pesquisa, em sua pedagogia inovadora, e na vida dos alunos da Rensselaer.