En ce qui concerne les cellules solaires, moins c'est plus - moins leurs surfaces reflètent les rayons du soleil, plus l'énergie peut être générée. Une solution typique au problème de réflectivité est un revêtement antireflet, mais ce n'est peut-être pas toujours la meilleure solution, selon l'application.

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont proposé des lignes directrices pour une alternative aux revêtements antireflet sur les dispositifs optiques tels que les cellules solaires, lunettes et appareils photo, constatant que la réflectivité des optiques en silicium peut être réduite à 1 % seulement en concevant leurs surfaces avec des couches de structures hiérarchiques de longueur micrométrique et nanométrique.

Une équipe de chercheurs du LLNL, dirigé par l'ingénieur chimiste Anna Hiszpanski et l'étudiant diplômé de l'UC Santa Cruz Juan Diaz Leon, décrit les paramètres dans un article récent publié par la revue Matériaux optiques avancés . La technologie a ses racines dans la nature, imitant les structures hiérarchiques trouvées dans l'œil d'un papillon de nuit, leur permettant d'absorber plus de lumière et de mieux naviguer dans l'obscurité.

"C'est une approche antireflet différente, " dit Hiszpanski, qui a réalisé les expériences et a été le co-auteur principal de l'article. « Les règles de conception de ces structures antireflet hiérarchiques n'ont pas été explicitement définies dans ces échelles de taille. J'espère qu'elles permettront à d'autres de concevoir et de fabriquer plus rapidement des structures optimales avec les propriétés antireflet nécessaires à leurs applications. "

Les réflexions des surfaces peuvent être un défi majeur en optique, selon Diaz Léon, qui a effectué les simulations informatiques. Typiquement, des revêtements antireflet monocouche sont utilisés pour le contrer, en utilisant des interférences destructrices pour éliminer les réflexions uniquement pour une bande étroite de longueurs d'onde et d'angles de vision. Cependant, lorsqu'une réflectivité réduite sur plusieurs longueurs d'onde et angles de vision est souhaitée, différentes approches sont nécessaires, il a dit.

Dans l'étude, le groupe a découvert que la réflectance hémisphérique ou totale moyenne du silicium peut atteindre 38 %, mais si seules des structures pyramidales à micro-échelle sont conçues en silicium, comme c'est souvent le cas dans les cellules solaires, la réflectance tombe à environ 11 pour cent. Cependant, en empilant des matrices de taille micro et nanométrique au-dessus des structures plus grandes, la réflectivité totale peut être réduite jusqu'à aussi peu qu'entre 1 et 2 pour cent quel que soit l'angle de la lumière entrante.

Si les cellules solaires pouvaient être texturées pour collecter plus de lumière sous tous les angles, Hiszpanski a dit, ils n'auraient pas besoin d'être suivis avec la position du soleil dans le ciel et pourraient potentiellement être plus efficaces pour convertir l'énergie. Lorsqu'il est utilisé dans des lunettes, les structures hiérarchiques pourraient éliminer la réflectivité et l'éblouissement sans produire l'effet de couleur verte ou violette que les revêtements de verre antireflet actuels ont. Les appareils photo seraient capables de prendre des photos dans des conditions de faible luminosité. La technologie pourrait également être appliquée aux télescopes et à l'optique de diffraction.

Diaz Leon a utilisé un logiciel d'optique ondulatoire pour simuler le comportement des structures oculaires des mites, en les combinant de manière hiérarchique. Les chercheurs se sont rendu compte que la périodicité des structures (récurrence) modifiait leurs propriétés antireflet, ils ont donc simulé des structures de taille similaire mais ont introduit une apériodicité pour mieux comprendre cet effet.

"Avec ces simulations, nous avons pu proposer un ensemble de règles de conception pour combiner hiérarchiquement différentes structures d'œil de papillon pour un besoin spécifique en propriétés antireflet, " a déclaré Diaz Leon. "Nous avons découvert qu'en combinant des structures d'oeil de mites de différentes tailles, vous pouvez non seulement réduire les réflexions dans la région de longueur d'onde qu'elles sont censées fonctionner (en suivant la règle empirique connue précédemment), mais vous pouvez également réduire davantage les réflexions dans une plage de longueurs d'onde donnée."

Spécifiquement, Diaz Léon a dit, en utilisant le spectre solaire comme cible, les chercheurs ont appris que les structures pyramidales à micro-échelle régulières réduisent largement la réflectance spéculaire - la réflectance semblable à un miroir trouvée dans les surfaces polies - tandis que les petites structures à l'échelle nanométrique réduisent la réflectance diffuse, qui consiste en des réflexions provenant d'angles différents de l'angle de réflectance spéculaire principal. En combinant deux structures différentes avec des tailles variées, les chercheurs ont pu minimiser sélectivement les réflectances spéculaires et diffuses. Aussi, ils ont appris que si la réflectance globale pour les structures périodiques et apériodiques était similaire, l'apériodicité réduit la réflectance spéculaire et augmente la réflectance diffuse, utile lorsque vous essayez de minimiser une réflectance spécifique (spéculaire ou diffuse) en fonction de l'application finale.

Hiszpanski a fabriqué les échantillons au LLNL en utilisant toutes les techniques de gravure (chimique) sans masque et humide, rendant le processus facilement extensible à de grandes zones. Les méthodes de fabrication sont propres au silicium, mais les chercheurs cherchent à les transférer dans les plastiques et le verre. Ils prévoient de collaborer avec UC Berkeley pour fabriquer des cellules solaires et essayer d'améliorer l'efficacité, ainsi que de traduire les méthodes en substrats flexibles avec une utilisation potentielle dans les verres.