پوشش های نانوتکنولوژی ضد انعکاس خود شوی، الهام گرفته از چشمان پروانه

[parichehr]

امروزه پوشش های ضد انعکاس یکی از بحث های کلیدی برای تولید انبوه سلول های خورشیدی سیلیکونی شده است.
امروزه سلول های خورشیدی سیلیکونی، رایج ترین سلول های خورشیدی در تجارت هستند. آن ها با لایه هایی از سیلیکون نوع n که تعداد زیادی الکترون و سیلیکون نوع p که تعداد زیادی روزنه های الکترون ( بخش هایی با الکترون های ناپیدا ) دارند، ساخته می شوند. زمانی که با نور خورشید اصابت می کنند، تعداد مساوی از الکترون ها و روزنه های الکترون در فصل مشترک بین دو لایه ی سیلیکون تولید می شود و هنگامی که الکترون ها از سیلیکون نوع n به سیلیکون نوع p مهاجرت می کنند، جریانی الکتریکی تولید می شود.
یکی از مشکلات سلول های خورشیدی سیلیکونی ضریب انکسار بالای سیلیکون است که باعث می شود بیش از ۳۰ درصد نور تابشی از سطح کریستال های سیلیکون منعکس شود. تولید کننده های سلول خورشیدی انواع مختلفی از پوشش های ضد انعکاس (ARCs) را برای کاهش خسارت های بازتاب ناخواسته ایجاد کرده اند. در حال حاضر طول موج یک چهارم لایه های نازک سیلیکون نیترید که به وسیله ی روش PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition)) رسوب گیری شده است، استاندارد صنعتی برای ARCهای روی سطوح سیلیکونی به حساب می آید. متأسفانه، روش های لیتوگرافی برای به وجود آوردن شبکه های سیلیکونی زیر طول موج به تجهیزات پیچیده ی گران قیمت نیازمند است، مانند لیتوگرافی پرتوی الکترونی، لیتوگرافی نقش زنی نانو و لیتوگرافی متداخل. بنابراین این روش ها در هزینه های بالای این سلول های خورشیدی سهیم هستند.
محققان در حال حاضر با یک پوشش ضد انعکاس نانو تکنولوژی، الهام گرفته ازچشمان پروانه ها روبرو شده اند. Wei-Lun Min به نانو ورک ( nanowerk ) می گوید: ما یک روش پوشش دهی چرخشی قابل مقیاس شدن و ساده را که تولید کریستال های کلوییدی در مقیاس قرص ( wafer ) با ساختار های بسته ای غیر محصور (ncp) را در اختیار قرار می دهد گسترش داده ایم.
Min، دانشجویی در گروه Peng Jiang در دانشکده ی مهندسی شیمی دانشگاه فلوریدا، اولین نویسنده ی مقاله اخیر در مورد مواد پیشرفته با این پوشش جدید ( پوشش های ضد انعکاس خود شوی الهام گرفته از طبیعت ) توضیح می دهد: ARC های ( پوشش های ضد انعکاس ) سیلیکون نیترید تجاری به طور نمونه طراحی شدند تا بازتاب مؤثر در طول موج حدود ۶۰۰nm را متوقف کنند. افت بازتاب سریعاً برای طول موج های مرئی و فروسرخ نزدیک افزایش می یابد که بخش بزرگی از انرژی خورشیدی تابشی را شامل می شود. در مقابل، ARC های چشم پروانه ای دارای ساخت زیر طول موج ما، که مستقیماً در سطوح شکل می گیرد پهن باند و ذاتاً پایدار و با دوام تر از ARC های چند لایه هستند، چون هیچگونه ماده ی خارجی را شامل نمی شوند. این تیم در فلوریدا یک شیوه ی الگوسازی قابل مقیاس شدن و ساده را برای ساختن ARCهای زیر طول موج ایجاد کرده اند.
شناخته شده که پروانه ها از آرایش های شش ضلعی nippleهای غیر محصور به عنوان پوشش های ضد انعکاس به منظور کاهش بازتاب پذیری قسمت های مختلف چشم هایشان استفاده می کنند. آن ها نظریه ی الگوی کلوییدی را برای ساختن این قبیل پوشش های ضد انعکاس چشم پروانه ای روی هر دو سطح شیشه و سیلیکون طراحی کردند.
سطح خارجی قرنیه ی عدسی پروانه ها شامل آرایش های ncp (برآمدگی های مخروطی کهnipple های قرنیه ای نامیده شدند)، به طور نمونه زیر ۳۰۰nm ارتفاع و در فواصل مساوی می شود.
این الگو های nipple های زیر طول موج، انتقالی درهم از ضریب انکسار تولید می کنند که به کمینه کردن بازتاب در سرتاسر ناحیه ی وسیعی از طول موج ها و زوایای برخورد منتهی می شود.
در روش مشابه، آرایش های ستونی الگو شده که محققان طراحی کرده اند نسبت تصویر بالایی دارند و خواص ضد انعکاسی پهن باند عالی و غیر خیس شونده ارائه می دهند.
این گروه خاطر نشان می کند که پوشش های ضد انعکاس چشم پروانه ای پلیمری شفاف با خواص ضد انعکاسی مناسب قبلاً بررسی شده اند اما بر خلاف پوشش های ضد انعکاس آن ها، نسبت تصویر پایین nipple های الگو شده قبل (ca=0.5)، مانع رسیدن به پوشش های فوق آبگریز شده بود.
در روش آن ها از شیوه ی پوشش دهی چرخشی قابل مقیاس شدن و ساده استفاده کردند تا تک لایه های کلوییدی ncp از ذرات سیلیکای منظم شش ضلعی، روی قرص های سیلیکون تولید کنند. این ذرات سپس به عنوان پوشش دهنده در طی فرآیند RIE (Reactive Ion Etch) استفاده شدند.
Min فرآیند را توضیح می دهد: «از آنجایی که سرعت پوشش دهی سیلیکا کمتر از پوشش دهی سیلیکون تحت شرایط RIE است، ذرات سیلیکا، سیلیکون زیرین آن ها را فوراً از پوشش شدن محافظت می کنند، که مستقیماً منجر به تشکیل آرایش های ستونی روی سطح سیلیکون می شود.» هنگامی که ستون های سیلیکون به اندازه ی کافی عمیق هستند، فرآیند با برداشتن گوی های سیلیکا به وسیله ی یک محلول متوقف می شود.
Min خاطر نشان می کند که روش آن ها به آسانی می تواند برای تولید آرایش های سیلیکونی ستونی در مقیاس قرص مورد استفاده قرار گیرد، همچنین با استاندارد ساخت صنعتی سازگار است و نوید دهنده ی توسعه ی پوشش های ضد انعکاس خود شوی برای کاربردهای تکنولوژیکی بسیار متنوع، از سلول های خورشیدی و دیود های حساس به نور گرفته تا نمایشگرهای مسطح و اجزا نوری، می باشد.