Une cellule solaire au silicium récupère l'énergie du soleil lorsque la lumière descend à travers le silicium absorbant la lumière. Pour réduire le poids et le coût, les cellules solaires sont minces, et tandis que le silicium absorbe bien la lumière visible, il capte moins de la moitié de la lumière dans le spectre proche infrarouge, qui représente un tiers de l'énergie solaire. La profondeur du matériau limite l'absorption. Mais que se passerait-il si la lumière à l'intérieur de la cellule pouvait être canalisée horizontalement afin que le silicium puisse absorber son énergie le long de la largeur de la cellule plutôt que sa profondeur ?

Avec une telle avance en tête, Shawn Yu Lin, professeur de physique, Physique appliquée, et l'astronomie à l'Institut polytechnique Rensselaer, a construit une nanostructure dont le réseau cristallin courbe la lumière lorsqu'elle pénètre dans le matériau et la dirige dans un chemin parallèle à la surface, connue sous le nom de "réfraction parallèle à l'interface". La structure est constituée de nanotubes superposés et ressemble à une grille tridimensionnelle constituée de Lincoln Logs. Les nanocristaux photoniques construits à l'aide de son procédé permettent un "piégeage de la lumière" extrême et pourraient avoir des applications allant des cellules solaires à couche mince aux fonctions photochimiques telles que la détection et la séparation de l'eau.

"Ces résultats prouvent que cet effet existe, que si vous suivez mes directives de symétrie cubique simple, vous pouvez plier la lumière de 90 degrés. Le cristal photonique force la lumière à se courber de manière déterministe, plutôt que de la diffusion aléatoire ou des effets de surface, " a déclaré Lin. "Il s'agit d'un nouveau type d'interaction lumière-matière qui est au cœur de ce que le piégeage de la lumière est censé faire."

Dans les résultats expérimentaux, qui apparaissent dans Rapports scientifiques , Lin a créé un cristal photonique en utilisant du dioxyde de titane, un matériau à faible absorption de lumière visible, pour prouver le succès de l'effet. Les résultats utilisant un nanocristal photonique de dioxyde de titane de 900 nanomètres d'épaisseur ont montré une absorption améliorée d'un à deux ordres de grandeur supérieure à celle d'un film de référence du même matériau pour certaines régions. Lin a construit le nanocristal - d'abord en silicium, maintenant en dioxyde de titane – basé sur les prédictions théoriques de son collaborateur, Sajeev John, un physicien à l'Université de Toronto.

Le piégeage de la lumière décrit le processus de confinement de la lumière dans un espace donné, généralement dans le but de le convertir en d'autres formes d'énergie. Dans une approche, les matériaux sont conçus pour ralentir la lumière, pour qu'il passe plus de temps dans le matériel. Dans l'approche utilisée par Lin, la lumière est détournée de son chemin donné, le faire parcourir une plus longue distance à l'intérieur du matériau, dans ce cas, toute la largeur d'une plaquette de dioxyde de titane.

La lumière se plie toujours un peu lorsqu'elle pénètre dans un matériau avec un indice optique différent, quelque chose de facilement visible lorsque la lumière pénètre dans l'eau. Dans l'eau, et bien d'autres matériaux, la lumière ne se plie que légèrement. L'arrangement des atomes dans le cristal de dioxyde de titane créé par Lin correspond à l'échelle des longueurs d'onde de la lumière visible, diffusant la lumière en plusieurs points de l'espace simultanément lorsqu'elle se déplace dans le réseau. En conséquence, la lumière ne peut pas se déplacer comme elle le fait à travers l'espace ou tout autre milieu continu. Au lieu, il est courbé selon un angle obtus – un phénomène connu sous le nom de « réfraction négative » – et canalisé le long de la largeur du matériau.

Pour manipuler le flux de lumière visible, avec des longueurs d'onde allant de 400 à 700 nanomètres, Lin a été le pionnier d'une méthode de construction d'un cube de nanotubes parfaitement symétrique pour correspondre à l'échelle de la lumière. D'abord, une couche de dioxyde de titane est déposée sur un substrat. Puis, une fine couche de dioxyde de chrome est déposée pour servir de masque à un processus photolithographique qui grave des lignes dans le dioxyde de titane. Une fois complété, un solvant est utilisé pour éliminer le dioxyde de chrome restant, complétant la première couche de « journaux ». Pour créer des couches supplémentaires, une couche de dioxyde de silicium est déposée pour remplir les cavités entre les bûches, la surface est polie à plat jusqu'au sommet de la première couche, et l'ensemble du processus est répété à un angle précis de 90 degrés par rapport à la première couche.

Une couche du matériau a moins d'un millionième de mètre - ou micron - d'épaisseur, mais a été produit en plaquettes de 100 millimètres de large, donner au matériel jusqu'à 100, 000 fois l'espace pour absorber la lumière.

"Cette découverte prouve une énorme amélioration de la longueur du trajet lors de l'utilisation d'un matériau qui a une très faible absorption. Sa découverte change le nom du jeu d'absorption verticale, à absorbé horizontalement dans une structure super mince, " dit Lin.

Lin et John ont été rejoints dans leurs recherches par les associés de recherche postdoctoraux Rensselaer Brian J. Frey et Ping Kuang, et Mei-Li Hsieh de l'Université nationale Chiao-Tung de Tiawan, et Jian Hua Jiang, de l'Université de Soochow en Chine. « Longueur de chemin optique effectivement infinie créée à l'aide d'un simple cristal photonique cubique pour un piégeage extrême de la lumière » est publiée dans Rapports scientifiques .

Les recherches de Lin répondent à la nouvelle école polytechnique, un paradigme émergent pour l'enseignement supérieur qui reconnaît que les défis et les opportunités mondiaux sont si grands qu'ils ne peuvent pas être traités de manière adéquate même par la personne la plus talentueuse travaillant seule. Rensselaer sert de carrefour pour la collaboration—travaillant avec des partenaires de toutes les disciplines, secteurs, et les régions géographiques—pour relever des défis mondiaux complexes, en utilisant les outils et technologies les plus avancés, dont beaucoup sont développés à Rensselaer. La recherche à Rensselaer aborde certains des défis technologiques les plus urgents au monde, de la sécurité énergétique et du développement durable à la biotechnologie et à la santé humaine. Le New Polytechnic est transformateur dans l'impact mondial de la recherche, dans sa pédagogie innovante, et dans la vie des étudiants de Rensselaer.