11.08.2017
Дизайн и нанопроизводство встретились в лаборатории Северо-западного университета.
Междисциплинарная команда исследователей использовала математические и механические приемы для разработки оптимального материала для управления светом в солнечных батареях. В рамках исследования были изготовлены наноструктурированные поверхности, также была разработана новая технология нанопроизводства.
«Мы преодолели разрыв между дизайном и нано производством. Вместо проектирования элемента структуры мы сейчас разрабатываем, оптимизируем и создаем его с помощью простой математической функции» - сказал Вэй Чен, профессор по инженерному дизайну и машиностроению в инженерной школе McCormick, возглавивший работы по дизайну в этом исследовании.
Этот быстрый, высокомасштабируемый, оптимизированный метод может заменить громоздкие методы нанопроизводства и проектирования, которые требуют огромных ресурсов для завершения.
«Совместный дизайн и обработка наноструктур открывает путь к повышению экономической эффективности прототипов нанофотонных устройств», - отметили Тери Одом, Чарльз Э. и Эмма Х. Моррисон, профессор химии в Северо-западном колледже Вайнберга, руководитель направления нанообработки в этом исследовании.
В настоящее время исследователи интересуются нанофотонными материалами для поглощения света в ультратонких гибких солнечных элементах. Для солнечных элементов идеальная поверхность наноструктуры имеет квази-случайные структуры - это означает, что структуры кажутся случайными, но имеют закономерность. Проектирование этих шаблонов может быть трудоемким, так как необходимо одновременно оптимизировать тысячи геометрических переменных, чтобы обнаружить оптимальный образец поверхности, которая будет поглощать свет предельно эффективно.
«Изготовление оптимального дизайна – работа крайне утомительная», - сказал Чэнь, «вы можете использовать нанолитографию, которая похожа на трехмерную печать, но для печати небольшого фрагмента требуется несколько дней и тысячи долларов. Это не выгодно и не практично».
Чтобы обойти эту проблему, Одом и Чэнь изготовили квази-случайные структуры со складочной литографией - новой технологией изготовления наноматериалов. Она способна быстро переносить складки на разные материалы, чтобы реализовать почти неограниченное количество квазислучайных наноструктур. Сформированное нанесением штамма на подложку, «сморщивание» является простым методом для масштабируемого изготовления наноразмерных поверхностных структур.
Одом отметил: «Мы использовали цифровые схемы в итеративном цикле поиска, чтобы определить оптимальные наноинкременты для достижения желаемого результата».
При поддержке Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований исследование было опубликовано на этой неделе в Работах Национальной академии наук. Вон-Кью Ли, аспирант в лаборатории Одома, стал первым автором статьи. Вторым автором стал Шуанчэн Юй, студент PhD, недавно окончивший Интегрированную лабораторию автоматизации дизайна Чена (IDEAL).
Команда ученых успешно продемонстрировала параллельный метод проектирования и изготовления для создания трехмерных фотонных наноструктур на кремниевой пластине, для использования в качестве солнечного элемента. Полученный материал поглощает на 160 % больше света в диапазоне от 800 до 1200 нанометров. Это диапазон, в котором текущие солнечные элементы менее эффективны, чем другие конструкции.
«У светлых длин волн разные частоты, и мы не ориентировались только на одну частоту», - сказал Чэнь, «Мы разработали устройство для всего спектра солнечных частот, поэтому солнечные модули смогут эффективно поглощать свет по широкополосным волнам и по широкому набору углов».
Команда ученых планирует также применить свой метод к другим материалам, таким как полимеры, металлы и оксиды, для других сфер фотоники.