Eine neue optische Linse sammelt und konzentriert Streulicht aus mehreren Richtungen ohne bewegliche Komponenten und weckt die Hoffnung, dass sie dazu beitragen könnte, zukünftige Solarzellen effizienter zu machen. Entworfen von Nina Vaidya und Olav Solgaard An der Stanford University in den USA basiert die Linse ausschließlich auf den steigenden Brechungsindizes aufeinanderfolgender Glasschichten, um das Licht umzulenken. Der Erfolg eines Prototyps deutet darauf hin, dass er als kachelbare Oberfläche auf Solarpaneelen verwendet werden könnte.
Um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, arbeiten viele Forscher an Techniken, um einfallendes Sonnenlicht auf kleinere Bereiche zu konzentrieren. Dies kann mit einer breiten Palette fortschrittlicher optischer Aufbauten erreicht werden – für eine optimale Effizienz müssen sich diese Geräte jedoch ständig in Richtung der Sonne bewegen, was kostspielige und komplexe Trackingsysteme erfordert.
Als Alternative entwickelten Vaidya und Solgaard eine Linse, die passiv gestreutes Sonnenlicht über einen weiten Bereich von Einfallswinkeln sammelt und auf einen einzigen Punkt konzentriert. Das von seinen Designern als Axially Graded Index Lens (AGILE) bezeichnete Gerät hat die Form einer umgekehrten quadratischen Pyramide mit abgeschnittener Spitze. Es besteht aus acht Glasschichten, deren Brechungsindizes nach unten hin zunehmend zunehmen.
Dank dieser Anordnung verläuft der Lichtstrahl, wenn er in das größere Quadrat an der Spitze von AGILE eintritt, auf seinem Weg durch die Pyramide nach unten. Unabhängig vom Einfallswinkel des Strahls an der Oberseite wird er daher nahezu vertikal sein, sobald er das kleinere Quadrat unten erreicht. Vaidya und Solgaard beschichteten außerdem die schrägen Seiten ihrer Pyramide mit einem Spiegel, sodass Licht, das sonst aus der Linse entweichen könnte, im Inneren reflektiert wird.
Suchen Sie nach den richtigen Materialien
Um eine Prototypversion von AGILE zu bauen, führten Vaidya und Solgaard eine umfassende Suche nach möglichen Glasmaterialien durch. Diese Gläser müssten strenge Anforderungen erfüllen, darunter die Fähigkeit, einen breiten Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums zu übertragen, der etwa 300 bis 1200 nm umfasst. Die Materialien müssten außerdem ähnliche Wärmeausdehnungsraten aufweisen und dennoch ein breites Spektrum an Brechungsindizes abdecken.
Nachdem das Duo eine Reihe optischer Gläser gefunden hatte, die diese Bedingungen erfüllten, stellten sie einen Prototyp her, indem sie die Schichten zu einem vertikalen Stapel zusammenfügten, bevor sie die Pyramidenform der Linse herausarbeiteten und sie mit reflektierendem Aluminium beschichteten.
Kirigami-Solarzellen folgen der Sonne
In ihren ersten Experimenten, die sie in beschreiben Mikrosysteme und Nanotechnik, Die Forscher zeigten, dass AGILE über 90 % des einfallenden Streulichts durchließ und sich auf einen Punkt konzentrierte, der ein Drittel der Größe der oberen quadratischen Oberfläche hatte. Basierend auf diesem Ergebnis schlagen sie vor, dass Solarpaneele mit Anordnungen von AGILE-Kacheln beschichtet werden könnten, was es den Paneelen nicht nur ermöglichen würde, das Licht der Sonne den ganzen Tag über passiv einzufangen, sondern auch das diffuse Licht zu sammeln, das von der Erdatmosphäre gestreut wird.
Das Duo berichtet, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, zu zeigen, wie AGILE durch Techniken wie Sprühbeschichtung, Formen und 3D-Druck in großem Maßstab hergestellt werden kann.
