Uma equipe de laboratório nacional de lawrence livermore liderada por anna hiszpanski elaborou diretrizes para uma alternativa aos revestimentos anti-reflexivos em dispositivos ópticos, como células solares, óculos e câmeras, engenharia suas superfícies com camadas de estruturas hierárquicas de comprimento de micro e nanômetro. crédito: lawrence livermore laboratório nacional

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

Os pesquisadores do laboratório nacional de lawrence livermore (llnl) apresentaram diretrizes para uma alternativa aos revestimentos anti-reflexivos em dispositivos ópticos, como células solares, óculos e câmeras, achando que a reflexividade da ótica de silício pode ser reduzida a apenas 1% pela engenharia suas superfícies com camadas de estruturas hierárquicas de comprimento de micro e nanômetro.

uma equipe de pesquisadores do INN, liderada pelo engenheiro químico anna hiszpanski e uc santa cruz estudante de pós-graduação juan diaz leon, descreveu os parâmetros em um artigo recente publicado pela revista de materiais ópticos avançados. A tecnologia tem suas raízes na natureza, imitando as estruturas hierárquicas encontradas no olho de uma mariposa, permitindo-lhes absorver mais luz e melhor navegar na escuridão.

\"É uma abordagem anti-reflexiva diferente\", disse Hiszpanski, que realizou os experimentos e foi o autor co-diretor do artigo. \"As regras de design para essas estruturas anti-reflexivas hierárquicas não foram explicitamente dispostas nessas escalas de tamanho. Tenho a esperança de que eles permitirão que outros criem e fabricem mais rapidamente estruturas ótimas com as propriedades anti-refletivas necessárias às suas aplicações \".

As reflexões das superfícies podem ser um grande desafio na ótica, de acordo com diaz leon, que realizou as simulações por computador. tipicamente, os revestimentos anti-reflexo de camada única são usados ​​para contrabalançar, usando interferências destrutivas para eliminar reflexões para apenas uma faixa estreita de comprimentos de onda e ângulos de visão. No entanto, quando a reflexividade reduzida em vários comprimentos de onda e ângulos de visão é desejada, diferentes abordagens são necessárias, disse ele.

no estudo, o grupo encontrou que a reflectância média hemisférica ou total do silício pode ser até 38 por cento, mas se apenas as estruturas piramidais de micro escala são projetadas em silício, como é comum nas células solares, a reflectância cai para cerca de 11%. No entanto, ao empilhar matrizes de micro e nano-tamanho em cima das estruturas maiores, a reflectividade total pode ser reduzida a apenas entre 1 por cento e 2 por cento, independentemente do ângulo da luz entrante.

se as células solares pudessem ser texturizadas para colecionar mais luz em todos os ângulos, disse Hiszpanski, não teriam que ser rastreados com a posição do sol no céu e poderiam ser mais eficientes na conversão de energia. Quando usado em óculos, estruturas hierárquicas poderiam eliminar a reflexividade e o brilho sem produzir o efeito de cor verde ou roxa que os revestimentos de vidro anti-reflexo atuais têm. as câmeras poderiam tirar fotos em uma luz inferior. A tecnologia também poderia ser traduzida para telescópios e ótica de difracção.

diaz leon usou um pacote de ótica de onda para simular o comportamento das estruturas dos olhos da traça, combinando-os de forma hierárquica. os pesquisadores perceberam a periodicidade das estruturas (recorrência) modificaram suas propriedades anti-reflexão, então simularam estruturas de tamanho similar, mas introduziram aperiodicidade para entender melhor esse efeito.

\"Com essas simulações, conseguimos criar um conjunto de regras de design para combinar hierarquicamente diferentes estruturas de olho de traça para uma necessidade específica em propriedades anti-reflexão\", disse Diaz Leon. \"Descobrimos que, ao combinar estruturas de olho de cabeça de diferentes tamanhos, você não pode apenas reduzir as reflexões na região de comprimento de onda que eles devem operar (seguindo a regra de controle anteriormente conhecida), mas você também pode reduzir ainda mais as reflexões em um determinado comprimento de onda alcance.\"

especificamente, diaz leon disse que, ao usar o espectro solar como alvo, os pesquisadores descobriram que as estruturas piramidais de micro escala geralmente reduzam a reflectância especular - a reflectância semelhante ao espelho encontrada em superfícies polidas - ao passo que as pequenas estruturas de escala nanométrica reduzem a reflectância difusa , que consiste em reflexões provenientes de ângulos diferentes do ângulo de reflectância especular principal. ao combinar duas estruturas diferentes com tamanhos variados, os pesquisadores poderiam minimizar seletivamente as reflectâncias especulares e difusas. Além disso, eles aprenderam que, embora a reflexão geral para estruturas periódicas e aperiódicas fosse semelhante, a aperiodicidade reduz a reflectância especular e aumenta a reflectância difusa, útil ao tentar minimizar uma reflectância específica (especular ou difusa) dependendo da aplicação final.

hiszpanski fabricou as amostras em llnl usando todas as técnicas de gravação química (química) sem máscara e molhada, tornando o processo facilmente escalável em grandes áreas. Os métodos de fabricação são únicos para o silício, mas os pesquisadores procuram transferi-los para plásticos e vidro. eles planejam colaborar com uc berkeley para fazer células solares e tentar melhorar a eficiência, bem como traduzir os métodos para substratos flexíveis com potencial uso em óculos.

fonte: phys

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