Лазерный мир

Проект Университета Рочестера может привести к более эффективному производству солнечной энергии.

Свет в работе: наноструктурированные поверхности

Прямая лазерная обработка поверхностей материалов является мощным методом изменения оптических и электрических свойств этих материалов, часто путем создания наноструктур на поверхности.

Точный контроль этих модификаций поверхности и, следовательно, модифицированных свойств материала, остается сложной задачей, в основном из-за элемента случайности, который влияет на размер и геометрию самих мелкомасштабных структур.

Фемтосекундные лазеры предложили путь к большему контролю над операцией и созданию структур, имеющих субволновую периодичность. Но способность точно проектировать получающиеся свойства поверхности осталась неуловимой.

Проект в Университете Рочестера продемонстрировал новый способ влияния на морфологию поверхностных наноструктур и, следовательно, на спектральное поглощение света обработанным металлом. Работа была освещена в Light, Science & Applications.

Этот прорыв может быть непосредственно полезен в устройствах для преобразования  солнечной энергии, повышая эффективность поглотителей на основе вольфрама и улучшая их характеристики термоэлектрического генерирования по сравнению с необработанными вольфрамовыми поверхностями.

«Эта поверхность не только улучшает поглощение энергии солнечного света, но и уменьшает рассеивание тепла на других длинах волн, фактически впервые создавая идеальный металлический солнечный поглотитель», — прокомментировал Chunlei Guo из Rochester.

Наноструктуры влияют на спектральный диапазон поглощения металлической поверхности посредством сложного процесса, включающего резонансные моды, создаваемые между отдельными структурами, и поведение поверхностных плазмонов — делокализованных электронных колебаний, которые могут существовать на поверхности материала при правильных условиях.

На эти эффекты может непосредственно влиять настройка размера и плотности случайно распределенных наноструктур, которыми, в свою очередь, можно управлять, изменяя параметры обработки фемтосекундного лазера. Создание более мелких наноструктур и более низкой плотности ограничивает гибридизацию между поверхностными наноструктурами и приводит к получению узкополосного поглотителя, в то время как увеличение гибридизации между более крупными наноструктурами приводит к широкополосному поглотителю.

Усиленная термоэлектрическая генерация

В испытаниях в проекте использовался 800-нанометровый лазер на основе Ti: сапфира, излучающий импульсы длительностью 30 фемтосекунд для модификации поверхностей из меди, алюминия, стали и вольфрама, и было установлено, что обработанные материалы действительно могут стать широкополосными поглотителями света и селективными солнечными поглотителями (SSA, selective solar absorbers), в зависимости от параметров обработки.

«Для солнечно-тепловых применений SSA на основе вольфрама обладает самой высокой эффективностью поглощения солнечного света», — отмечается в опубликованной статье команды. «Сравнение рабочих характеристик необработанного вольфрама (W), обычно используемого в качестве солнечного поглотителя, и W,  обработанного в качестве приемника для солнечного термоэлектрического генератора фемтосекундным лазером, показал, что обработанный W-SSA обеспечивает повышение эффективности термоэлектрической генерации на 130%. «По словам команды Рочестера, впервые поверхности, обработанные фемтосекундным лазером, могут выступать в качестве высокотемпературных поглотителей для повышения эффективности термоэлектрической генерации.

В следующем эксперименте команда использовала фемтосекундные лазерные импульсы для создания массива нано- и микроразмерных структур на поверхности обычной вольфрамовой нити, позволяющей лампочке светиться ярче при том же потреблении энергии.«Мы выпустили лазерный луч прямо через стекло колбы и оставили паттерн на нити», — сказал Го. «Когда мы зажгли лампу, мы действительно могли видеть, что этот паттерн был явно ярче, чем остальная нить накала».

Университет Рочестера видео

Источник: https://optics.org/news/11/1/58