Reduzir a quantidade de luz solar que reflete na superfície das células solares ajuda a maximizar a conversão dos raios solares em eletricidade, portanto, os fabricantes usam revestimentos para reduzir os reflexos. Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA mostram que gravar uma textura em nanoescala no próprio material de silício cria uma superfície anti-reflexiva que funciona tão bem como revestimentos multicamadas de filme fino de última geração.

Seu método, descrito no jornal Nature Communications e submetido para proteção de patente, tem potencial para agilizar a produção de células solares de silício e reduzir os custos de fabricação. A abordagem pode encontrar aplicações adicionais na redução do brilho das janelas, fornecer camuflagem de radar para equipamento militar, e aumentando o brilho dos diodos emissores de luz.

"Para aplicações anti-reflexo, a ideia é evitar que ondas de luz ou rádio saltem nas interfaces entre os materiais, "disse o físico Charles Black, que liderou a pesquisa no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório Brookhaven, um DOE Office of Science User Facility.

A prevenção de reflexos requer o controle de uma mudança abrupta no "índice de refração, "uma propriedade que afeta como ondas como a luz se propagam através de um material. Isso ocorre na interface onde dois materiais com índices de refração muito diferentes se encontram, por exemplo, na interface entre o ar e o silício. Adicionar um revestimento com um índice de refração intermediário na interface facilita a transição entre os materiais e reduz a reflexão, Black explicou.

"O problema de usar tais revestimentos para células solares, " ele disse, "é que preferimos capturar totalmente todas as cores do espectro de luz dentro do dispositivo, e gostaríamos de capturar a luz independentemente da direção de onde ela vem. Mas cada cor de luz combina melhor com um revestimento anti-reflexo diferente, e cada revestimento é otimizado para luz proveniente de uma direção específica. Portanto, você lida com esses problemas usando várias camadas anti-reflexo. Estávamos interessados ​​em procurar uma maneira melhor. "

Para inspiração, os cientistas se voltaram para um exemplo bem conhecido de uma superfície anti-reflexiva na natureza, os olhos das mariposas comuns. As superfícies de seus olhos compostos têm padrões texturizados feitos de muitos pequenos "postes, "cada um menor do que os comprimentos de onda da luz. Esta superfície texturizada melhora a visão noturna das mariposas, e também evita que o "cervo nos faróis" reflita o brilho que pode permitir que os predadores os detectem.

"Decidimos recriar padrões de olho de mariposa em silício em tamanhos ainda menores usando métodos de nanotecnologia, "disse Atikur Rahman, um pós-doutorado trabalhando com Black no CFN e primeiro autor do estudo.

Os cientistas começaram revestindo a superfície superior de uma célula solar de silício com um material polimérico denominado "copolímero em bloco, "que pode ser feito para se auto-organizar em um padrão de superfície ordenado com dimensões medindo apenas dezenas de nanômetros. O padrão automontado serviu como um modelo para formar postes na célula solar como aqueles no olho da mariposa usando um plasma de gases reativos -uma técnica comumente usada na fabricação de circuitos eletrônicos semicondutores.

A nanotextura de superfície resultante serviu para alterar gradualmente o índice de refração para reduzir drasticamente a reflexão de muitos comprimentos de onda de luz simultaneamente, independentemente da direção da luz incidindo na célula solar.

"Adicionar essas nanotexturas tornou a superfície normalmente brilhante de silício absolutamente preta, "Disse Rahman.

As células solares texturizadas desta forma superam as revestidas com um único filme anti-reflexo em cerca de 20 por cento, e trazem luz para o dispositivo, bem como os melhores revestimentos multicamadas usados ​​na indústria.

"Estamos trabalhando para entender se há vantagens econômicas na montagem de células solares de silício usando nosso método, em comparação com outro, processos estabelecidos na indústria, "Black disse.

A camada oculta explica o desempenho melhor do que o esperado

Um aspecto intrigante do estudo foi que os cientistas alcançaram o desempenho anti-reflexo criando nanoposts com apenas a metade da altura exigida prevista por um modelo matemático que descreve o efeito. Então, eles recorreram à experiência de colegas do CFN e de outros cientistas de Brookhaven para ajudar a resolver o mistério.

“Esta é uma grande vantagem de fazer pesquisa no CFN - tanto para nós quanto para pesquisadores acadêmicos e industriais que vêm usar nossas instalações, "Black disse." Temos todos esses especialistas por perto que podem ajudá-lo a resolver seus problemas. "

Usando uma combinação de modelagem computacional, microscópio eletrônico, e ciência de superfície, a equipe deduziu que uma fina camada de óxido de silício semelhante ao que normalmente se forma quando o silício é exposto ao ar parecia ter um efeito desproporcional.

"Em uma superfície plana, esta camada é tão fina que seu efeito é mínimo, "explicou Matt Eisaman do Departamento de Tecnologias de Energia Sustentável de Brookhaven e professor da Stony Brook University." Mas na superfície nanopadronizada, com a fina camada de óxido envolvendo todos os lados da nanotextura, o óxido pode ter um efeito maior porque constitui uma parte significativa do material nanotexturado. "

Disse Black, "Essa camada 'oculta' foi a chave para o aumento extra no desempenho."

Os cientistas agora estão interessados ​​em desenvolver seu método baseado na automontagem de padronização de nanotexturas para outros materiais, incluindo vidro e plástico, para janelas anti-reflexo e revestimentos para painéis solares.