Лазерный мир

Исследовательская группа в Манчестерском университете Великобритании исследует улучшение свойств солнечных элементов путем создания микроскопических структур на фотогальванических тонких пленках с использованием лазера.

            Д-р Olivier Allegre из Школы механизации, аэрокосмической и гражданской инженерии Университета Манчестера обсудил тему периодических поверхностных структур, вызванных лазерами ( laser induced periodic surface structures, LIPSS), и о том, как они могут изменить свойства поверхности материала на симпозиуме промышленных лазерных приложений, проведенном в Грантхаме, Великобритания, с 22 До 23 марта.

            LIPSS представляют собой микроскопические периодические структуры , которые производятся в материалах, когда ультракороткие лазерные пучки взаимодействуют и рассеиваются по их поверхности. Если наносятся  равномерно, LIPSS может использоваться для изменения свойств, таких как перенос электрического заряда, трение и дифракция света. Аллегре рассказал, как это изменение свойств может быть применено к сертификационным промышленным приложениям.

LIPSS изменяет дифракционные свойства материалов, позволяя получать разноцветные изображения в различных металлах. (Кредит: O Allegre et al.)

            «Есть много примеров, когда LIPSS полезен. Тем не менее, может быть довольно сложно контролировать формирование LIPSS при обработке ультракороткими лазерами », — сказал Аллегри. «Для промышленных процессов необходимы высокая однородность, надежность и скорость».

LIPSS можно производить в таких материалах, как сталь, медь, плавленый кварц и тонкие пленки, такие как оксид титана и цинка. В каждом случае, согласно Allegre, направление LIPSS определяется направлением вектора поляризации падающего излучения и формой его волнового фронта.

            Вооруженные этими знаниями, многочисленные исследовательские группы, в том числе Allegre, теперь манипулируют производством LIPSS и изучают, как их можно использовать в ряде промышленных приложений.

            «Мы хотели узнать, можем ли мы использовать LIPSS для улучшения свойств фотогальванических элементов, — сказал Аллегре. «Мы текстурировали алюминиевую пленку оксида цинка, которая использовалась для сборки фотоэлектрической ячейки, и показали, что можно добиться хорошей однородности LIPSS на пленке и что это изменило электрические свойства фотогальванической ячейки. Мы увидели существенную разницу между неструктурированной поверхностью и текстурированной поверхностью, модифицированной LIPSS ».

            По словам Аллегре, это изменение электрических свойств было достигнуто только с использованием очень высокой однородности LIPSS. Поэтому формирование должно было быть сделано очень медленно — команде Манчестера потребовалось четыре часа, чтобы текстурировать одну ячейку.

            Отдельная исследовательская группа успешно смоделировала поверхность биоинкубатора с LIPSS и доказала, что их присутствие способствует росту клеток по сравнению с регионами на образце, которые не были текстурированы с помощью LIPSS. Allegre также упомянул, что LIPSS можно использовать для улучшения механической смазки некоторых материалов.

По данным Allegre, LIPSS также доказали, что изменяют дифракционные свойства материалов. Белый свет может использоваться для освещения текстурированных поверхностей, а цвет отраженного света зависит от направления LIPSS. «Нанеся LIPSS с разными направлениями на материал, можно  отпечатать множество изображений, которые произведут целый ряд разных цветов», — объяснил Аллегри. LIPSS также может быть сформирован как кольца различного размера, и когда они наносятся на   металлическую пластину, такие приложения, как кодирование серийных номеров в металлическое оборудование, могут быть предусмотрены для целей борьбы с контрафактной печатью.

            В производстве LIPSS, согласно Allegre, каждый материал имеет пороговое значение импульса, которое должно быть сначала идентифицировано до начала текстурирования. Если энергия импульса или длительность используемого сверхбыстрого лазера слишком высока, то сам материал можно удалить, а не формировать LIPSS. «Для обработки материалов, таких как сталь, окно обработки имеет тенденцию быть более широким, и мы обнаружили, что с помощью тонких пленок окно обработки становится значительно более узким, так что вы должны быть очень осторожны с длительностью импульса».

            По словам Аллегре, достижение скорости и однородности для более крупных площадей, для наносимых  поверхностных структур по-прежнему остается проблемой в производстве LIPSS. Однако, с внедрением в будущем более мощных пространственных модуляторов света, Allegre полагает, что методы производства LIPSS будут масштабируемы до более высоких скоростей.

https://www.lasersystemseurope.com/news/manchester-researchers-improve-solar-cells-laser-surface-structuring