EO

Dun kristal weerkaatst veel kleuren licht in alle richtingen

06 mei 2017 om 16:14 uur - Enschede

'Inverse woodpile' kristallen kunnen worden gebruikt als achterreflector om het rendement van zonnecellen te verbeteren.

Met behulp van geavanceerde berekeningen hebben natuurkundigen en wiskundigen van de Universiteit Twente ontdekt dat een dunne, diamantachtige fotonische nanostructuur een opvallend breed spectrum aan kleuren licht bij elke invalshoek weerkaatst. Daardoor heeft dit materiaal veel potentieel als achterreflector om de efficiëntie van zonnecellen of kleine lichtbronnen op chips mee te vergroten.


De efficiëntie van zonnecellen is afhankelijk van hun vermogen om licht te vangen en te absorberen. Dit kan worden vergroot door middel van een achterreflector: een spiegel achter het zonnecelmateriaal dat niet-geabsorbeerd licht reflecteert en weer terugvoert de zonnecel in. Een ideale spiegel reflecteert licht van elke frequentie (dat wil zeggen elke kleur) ongeacht de invalshoek (omnidirectionele reflectie).

 

Omnidirectionele reflectie in diëlektrische structuren hangt samen met driedimensionale nanostructuren van fotonische kristallen met een zogeheten volledige fotonische bandkloof. Onderzoekers hebben echter altijd gedacht dat dergelijke structuren een beperkt operationeel frequentiebereik zouden hebben. Daarnaast was het omnidirectionele gedrag ervan nog nooit aangetoond.

 

Inverse woodpile

Een interdisciplinair team van natuurkundigen en wiskundigen van de Universiteit Twente heeft nu geavanceerde berekeningen uitgevoerd met betrekking tot een zeer veelbelovend materiaal dat is ontwikkeld door de groep Complex Photonic Systems. "We hebben fotonische kristallen van het ‘inverse woodpile'-type onderzocht", vertelt promovendus Devashish. "Zulke kristallen bestaan uit regelmatig geordende rijen poriën die in twee haaks op elkaar staande richtingen zijn aangebracht in een wafer van diëlektrisch materiaal, bijvoorbeeld silicium. De kristalstructuur is geïnspireerd op diamanten."  

 

De onderzoekers hebben de reflectiviteit van de kubusvormige, op een diamant lijkende ‘inverse woodpile' kristallen onderzocht door middel van numerieke berekeningen en interpretaties van recente experimenten. Ze gebruikten de eindige-elementenmethode om deze kristallen te bestuderen terwijl ze omringd waren door lege ruimte. "We kwamen tot de ontdekking dat zelfs heel dunne inverse woodpile-kristallen een breed spectrum aan kleuren licht omnidirectioneel sterk reflecteren", aldus Devashish. "De lichtabsorptie door inverse woodpile-kristallen is verwaarloosbaar. Daardoor zijn ze bijzonder geschikt om als achterreflector te worden gebruikt in zonnecellen. Daarnaast verwachten we dat deze diamantachtige fotonische kristallen gebruikt zullen kunnen worden voor lasers op chips, onzichtbaarheidsmantels en apparatuur om licht in extreem kleine hoeveelheden in te sluiten."  

 

diamant 1

Figuur 1: Een dun, driedimensionaal fotonisch kristal met een diamantachtige nanostructuur wordt vanuit een willekeurige invalshoek beschenen met wit licht (zwarte pijl). Veel kleuren worden omnidirectioneel sterk gereflecteerd, ongeacht de invalshoek (zwarte pijl). In dit voorbeeld zijn dat de kleuren van oranje tot blauw.

 

diamant 2

Figuur 2: De reflectiviteitsspectra die voor alle richtingen van het invallende licht zijn berekend. Licht dat de kristallen niet binnen kan komen wordt gereflecteerd. Dat wijst erop dat deze kleuren in de kristallen in het geheel niet kunnen voorkomen, wat kenmerkend is voor een fotonische bandkloof. De onderzoekers hebben waargenomen dat licht in een breed spectrum aan kleuren altijd wordt gereflecteerd, ongeacht de invalshoek en in beide richtingen, ook bij een dun plaatje kristal. De donkerblauwe kleur staat voor de hoge reflectiviteit die in de stopband geldt voor licht met elke invalshoek. De witte kleur staat voor bijna 0% reflectiviteit. De oranje stippellijnen geven het brede frequentiegebied aan waarbinnen licht bij elke invalshoek wordt gereflecteerd. 

 

Het team

Het onderzoek is uitgevoerd door Devashish M.Sc., dr. Shakeeb Hasan, prof.dr. Jaap van der Vegt en prof.dr. Willem Vos van de groep Complex Photonic Systems (COPS) van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie en de groep Mathematics of Computational Science (MACS) van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Het onderzoeksproject wordt gesteund door het programma ‘Computational Sciences for Energy Research' (CSER) van Shell-NWO/FOM.  

 

De paper

De paper, getiteld ‘Reflectivity calculated for a three-dimensional silicon photonic band gap crystal with finite support', is op 26 april 2017 gepubliceerd in Physical Review B (Phys. Rev. B 95, 155141 (2017)).

URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.95.155141

DOI: 10.1103/PhysRevB.95.155141

Een preprint van de paper is beschikbaar op http://cops.nano-cops.com/publications/reflectivity-calculated-3d-silicon-photonic-band-gap-crystal-finite-support en op de preprint-server van de Cornell-universiteit op http://arxiv.org/abs/1609.01112.

 

 

Gerelateerd nieuws

Perovskiet zonnepanelen voor het eerst stabiel

Perovskiet zonnepanelen voor het eerst stabiel

Een studie onder leiding van de KU Leuven legt voor het eerst uit hoe perovskieten gestabiliseerd kan worden. De stabilisatie maakt de kristallen zwart, waardoor ze zonlicht kunnen absorberen. Deze bevinding kan leiden…

3D-print je houten stoel

Hout nu te 3D-printen

Kijk, als je een houten stoel nodig hebt, kun je natuurlijk een boom omzagen en het hout bewerken tot stoel. Of je doet als Maarten Baas en je laat de boom in een mal groeien, waarop je 200 jaar later een kant en klare…

Flexibele vloeibare robots (video)

Flexibele vloeibare robots (video)

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een nieuw materiaal gemaakt dat zowel vloeibaar als magnetisch is. Hun vinding maakt het onder andere mogelijk om flexibele, vloeibare…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Tosec
Tosec

Specialist in plaatbewerking

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

23 augustus 2019

Praat mee over een toekomstbestendige machinerichtlijn

Nederland levert een bijdrage aan een impact-assessment betreffende de nieuwe Europese Machinerichtlijn...

2 september 2019, D&F kantoor Breda

Performance Level en Sistema 2.0

3 september 2019, D&F kantoor Breda

Veiligheid van beweegbare bruggen volgens NEN 6787

De norm NEN 6787 stelt het veiligheidsniveau waaraan nieuwe en bestaande bruggen moeten voldoen en is...

Meer agendapunten »