Immersions-Graded-Index-Optik: Theorie, Design und Prototypen

Microsystems & Nanoengineering Band 8, Artikelnummer: 69 (2022) Diesen Artikel zitieren

15.000 Zugriffe

2 Zitate

276 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Immersionsoptiken ermöglichen die Schaffung von Systemen mit verbesserter optischer Konzentration und Kopplung, indem sie sich die Tatsache zunutze machen, dass die Leuchtdichte des Lichts proportional zum Quadrat des Brechungsindex in einem verlustfreien optischen System ist. Optische Immersions-Gradientenindex-Konzentratoren, die der Quelle nicht nachgeführt werden müssen, werden anhand von Theorie, Simulationen und Experimenten beschrieben. Wir führen eine verallgemeinerte Entwurfsleitfadengleichung ein, die der Pareto-Funktion folgt und zur Erstellung verschiedener Immersions-Gradientenindexoptiken je nach Anwendungsanforderungen an Konzentration, Brechungsindex, Höhe und Effizienz verwendet werden kann. Wir stellen Glas- und Polymerherstellungstechniken zur Herstellung breitbandiger transparenter Gradientenindexmaterialien mit großen Brechungsindexbereichen (Brechungsindexverhältnis)2 von ~2 vor, die um ein Vielfaches über das hinausgehen, was in der Natur oder in der Optikindustrie zu sehen ist. Die Prototypen weisen eine dreifache optische Konzentration mit einem Wirkungsgrad von über 90 % auf. Wir berichten über funktionale Prototypen, dass Gradientenindexlinsen-Konzentratoren eine Leistung nahe der theoretischen Höchstgrenze erbringen, und stellen einfache, kostengünstige, designflexible und skalierbare Herstellungstechniken für ihre Implementierung vor.

Die Nutzung der reichlich vorhandenen Sonnenenergie, die über Photovoltaik auf die Erde gelangt, wird eine wichtige Rolle dabei spielen, unseren zukünftigen Energiebedarf auf nachhaltige Weise zu decken. Ein vielversprechender Ansatz ist die konzentrierte Photovoltaik1, und in diesem Bereich werden verschiedene Methoden zur Konzentration eingesetzt2,3 – Fresnel-Linsen4,5, Spiegel6,7, Parabolkonzentratoren8,9, Sekundäroptiken mit hohem Brechungsindex10, Wellenleiter11,12,13, Immersionslinsen14 , Oberflächen-Nanotexturierung15. Die meisten davon erfordern eine aktive Nachführung der Sonne, da sie der Lichtquelle innerhalb weniger Grad zugewandt sein müssen. Einige der oben genannten sind passive Konzentratoren, müssen also nicht der Sonne nachgeführt werden, bieten jedoch immer noch bescheidene Akzeptanzwinkel, die nicht über die verfügbaren 2π-Steradianten hinausgehen. Wir präsentieren ein passives Konzentratorgerät, AGILE (Axially Graded Index LEns)16. Von nun an wird dieser optische Immersions-Graded-Index-Konzentrator im Manuskript als AGILE bezeichnet. AGILE benötigt keine Sonnennachführung und folgt der maximalen Grenze der Kosinusprojektion, indem es das aus allen Winkeln einfallende Licht konzentriert.

Das AGILE ermöglicht nicht gerichtete Konzentrationssysteme (d. h. es ist nicht mehr erforderlich, der Sonne zu folgen), die die Menge an erforderlichem Photovoltaikmaterial (PV) reduzieren, aber auch diffuses Licht effizient absorbieren. Aufgrund der Wolkendecke und der Atmosphäre ist Lichtstreuung vorhanden. und diffuses Licht kann selbst an einem sonnigen Tag bis zu 20 % betragen17. Abbildung 1a zeigt, wie Licht im AGILE-Konzentrator konzentriert wird. Von den gesamten 2π-Steradianten einfallende Lichtstrahlen treten in die größere Apertur mit einem Brechungsindex (RI) von 1 ein, krümmen sich durch Brechung entlang der Höhe des Kegels im axialen Gradienten RI zur Normalen hin, werden von den Seitenwänden reflektiert und erreichen die kleinere Ausgangsapertur mit hohem RI, z. B. Silizium mit RI ~ 3,5, ohne dass die Lichtquelle nachgeführt werden muss. Abbildung 1c zeigt das AGILE-Konzentrator-Array-System, das aus der in Abb. 1b gezeigten wiederholten Einheit besteht, das gesamte einfallende Licht absorbiert und daher dunkel erscheint. Ein Videoclip des AGILE-Array-Systems ist im Zusatzmaterial beigefügt. In diesem Video verfügt der AGILE nicht über metallisch reflektierende Seitenwände, sodass das abgestufte Indexmaterial sichtbar gemacht werden kann. AGILE ermöglicht nahezu perfekte Antireflexion und Kopplung, Kapselung, Platz für Schaltkreise und Kühlung sowie konformes Design. Diese Immersions-Gradientenindexoptiken können auch Anwendungen in Bereichen wie Lichtmanagement in Festkörperbeleuchtung, Laserkopplern, Anzeigetechnik usw. realisieren.

a Darstellung der optischen Konzentrationswirkung, b Wiederholungseinheit von AGILE, c Konzentrator-Arrays mit integrierter Antireflexion und Kapselung, keine Notwendigkeit, die Quelle zu verfolgen, und räumlich getrennte PV-Zellen, die den Vorteil eines reduzierten PV-Materialverbrauchs haben, daher niedriger Kosten mit Platz für Kühlung und Schaltkreise.

Raytracing-Simulationen wurden mit der Software FRED durchgeführt. Wir haben Simulationen durchgeführt, um die optische Konzentrationseffizienz von Kegelgeometrien mit unterschiedlichen RI-Profilfüllungen zu vergleichen. Alle in Abb. 2 simulierten Konzentratoren haben die gleiche Geometrie – der Eingangsdurchmesser beträgt 3,5, der Ausgangsdurchmesser beträgt 1, die Höhe beträgt 5 und die inneren Seitenwände des Kegels sind optisch reflektierend. Dabei handelt es sich um dimensionsunabhängige Simulationen im Strahlenbereich, also in einem Bereich, in dem die Geräteabmessungen um ein Vielfaches größer sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Einzelheiten zur Skaleninvarianz finden Sie in Anhang A der Zusatzdatei. Der Winkel des einfallenden Strahlenbündels, Theta, wurde in einer Ebene von 0 bis 90° geschwenkt, da die Struktur rotationssymmetrisch ist. Abbildung 2 zeigt die optische Konzentrationseffizienz der Kegelgeometrien, dh die Lichtdurchlässigkeit zur kleineren Ausgangsapertur als Funktion des Einfallswinkels im Vergleich zum theoretischen Cosinus-Theta-Maximum, dh der Projektionsgrenze, wenn die Lichtquelle nicht verfolgt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass der Konzentrator, der mit Luft gefüllt, homogen gefüllt mit RI = 3,5 oder homogen gefüllt mit RI = 3,5 ist, zusammen mit einer Linsenoberseite eine erhebliche Menge des einfallenden Lichts abweist. Im Gegensatz dazu konzentriert ein AGILE mit einem linearen Gradientenindex von der Umgebung zum Detektormaterial (dh RI von 1 bis 3,5) das Licht nahe der theoretischen Grenze. In diesen Simulationen sind Fresnel-Reflexionen an der Oberseite in den meisten Kurven nicht enthalten, es sei denn, dies ist in der Diagrammlegende angegeben, da auf der Oberseite ein dünner Antireflexionsfilm hinzugefügt werden kann. Wie jedoch in den Kurven zu sehen ist, in denen Fresnel-Reflexionen enthalten sind, bleibt AGILE unverändert, während die mit der Linse oben und mit hohem Brechungsindex gefüllten Kegel eine verringerte Transmission aufweisen.

AGILE mit einem theoretischen Brechungsindexgradienten von 1 bis 3,5 verfolgt die Obergrenze für passive Konzentratoren gut (Cosinus-Projektionsmaximum) und konzentriert das Licht über die Einfallswinkel

Beim Entwurf optischer Konzentratoren setzt das Konstanthelligkeitstheorem18,19,20 strenge Grenzen. Das Theorem besagt, dass der optische Leistungsfluss pro Flächeneinheit und Raumwinkel durch ein passives optisches System nicht erhöht werden kann: Die Leuchtdichte ist invariant. So ausgedrückt ist das Theorem nicht vollständig und es kann eine höhere Leuchtdichte (früher als Helligkeit bezeichnet) in einem Material mit hohem Brechungsindex (RI) erreicht werden, wie es bei optischen Immersionstechniken in der Mikroskopie und Lithographie zu sehen ist21,22. Mathematisch kann die Konzentration (C) in einem optischen 3D-Konzentrator aufgrund der Etendue-Erhaltung in einem perfekten optischen System ausgedrückt werden23,24:

Dabei sind ain und aout die Radien der Eingangs- und Ausgangsöffnungen, nin und nout die Eingangs- und Ausgangsbrechungsindizes und ∅in und ∅out die Eingangs- und Ausgangsakzeptanzhalbwinkel. RI wird in den Gleichungen als n(z) bezeichnet. Wenn wir in Solarkonzentratoren davon ausgehen, dass der Eingangs-RI eins ist und der Ausgangsspreizhalbwinkel 90° beträgt, reduziert sich die Gleichung auf \(C = \left\{ {n_{out}/sin\emptyset _{in}} \right \}^2\). Hier liegt ∅in nahe bei 90°, also ist die Konzentration des Geräts:

Gleichung 1 besagt, dass optische Konzentratoren, die alle Einfallswinkel akzeptieren, nicht gegen das Theorem der konstanten Helligkeit verstoßen, vorausgesetzt, dass das Flächenverkleinerungsverhältnis kleiner oder gleich dem Quadrat des Verhältnisses von RI von Eingang zu Ausgang ist. In dieser Arbeit zeigen wir, dass eine Konzentration an dieser Grenze (\(C = \left\{ {n_{out}/n_{in}} \right\}^2\)) erreicht werden kann, indem der RI schrittweise von nahe an geändert wird Einheit in Luft zu einem hohen RI am Ausgang. Erweiterung von Gl. Wie in 2 dargestellt, nimmt der RI vom Eingang zum Ausgang kontinuierlich zu, während die Fläche (A) des Konzentrators abnimmt, sodass:

Dabei sind x und y die transversalen Koordinaten, z die axiale Koordinate, A die Querschnittsfläche und n(x,y,z) der RI. Für eine kreisförmig symmetrische Struktur mit dem Radius r(z) und einem RI, der nur eine Funktion von z ist (d. h. RI-Konstante in jeder z-Ebene), gilt Gl. 3 kann geschrieben werden als

mit Gl. Wenn 4 erfüllt ist, ist die Anzahl der elektromagnetischen Moden entlang der Höhe des Konzentrators in jeder z-Ebene konstant; Diese Bedingung allein reicht jedoch nicht aus, um die Konzentration sicherzustellen. Es ist leicht, Beispiele für Strukturen zu finden, die Gleichung erfüllen. 4, können das Licht jedoch aufgrund von Reflexionen an den Seitenwänden, z. B. gezackten oder unterbrochenen Seitenwänden oder abrupten Indexschwankungen, nicht bündeln. Daher besteht die Designherausforderung darin, Konzentratorformen und entsprechende Indexprofile zu finden, die eine effektive Kopplung der elektromagnetischen Moden einer Schicht an die nächste Schicht ohne inakzeptable Reflexionen ermöglichen.

Betrachten Sie r(z) und n(z) als die Seitenwand- bzw. Indexprofile entlang z (Höhe von AGILE). K ist eine Konstante ungleich Null und h ist ein dimensionsloser Parameter, der die Höhe relativ zum Eingaberadius angibt, Höhe = hK. n1 und n2 sind die Eingabe- und Ausgabeindizes mit Randbedingungen: \(r\left( 0 \right) = \frac{K}{{n_1}},n\left( 0 \right) = n_1,r\left ( {hK} \right) = \frac{K}{{n_2}},\&\, n\left( {hK} \right) = n_2\). Geben Sie die analytischen Lösungen an, indem Sie n(z)*r(z)=K (dh Gleichung 4) verwenden und die Krümmung, dh die zweiten Ableitungen von r(z) gleich einer Konstante ε setzen. Durch die Definition der zweiten Ableitung als Konstante hätten die Lösungen eine parametrische Stetigkeit „Glattheit“ der Ordnung ε2. Daher eliminiert dieser Ansatz n(z) und r(z), die unphysikalisch und diskontinuierlich sind. Es gibt verschiedene Kurvenfamilien (d. h. komplementäre Seitenwand- und Indexprofile), die das AGILE-Design erzeugen. Die analytischen Profile für n(z) und r(z):

Wir haben hauptsächlich Konzentratoren mit linearen Seitenwänden simuliert und hergestellt. Für ε = 0 ist r(z) linear und n(z) hyperbolisch:

Ziel der Höhenoptimierung ist es, ein kurzes Gerät zu konzipieren, um Material und Gewicht zu sparen und gleichzeitig die Effizienz beizubehalten. Das AGILE-Gerät ist im Strahlenbereich skalierbar (dh solange die Konzentratorgeometrie um ein Vielfaches größer als die Wellenlänge des Lichts ist). Details im Anhang A in der Zusatzdatei. Skalierbar bedeutet hier, dass die Konzentrationsphänomene des AGILE auf die gleiche Weise funktionieren, auch wenn die Geometrie um einen Skalierungsfaktor vergrößert oder verkleinert wird. Mit anderen Worten: Wenn wir die kartesischen Koordinaten um einen gemeinsamen Faktor skalieren, bleiben die Strahlengänge davon unberührt. Die Skaleninvarianz hat zur Folge, dass die Eigenschaften und damit die Leistung eines bestimmten AGILE ausschließlich durch das Verhältnis von Höhe zu Eingangsdurchmesser bestimmt werden. In Anhang A zeigen wir, dass: (1) Reflexionen im AGILE skaleninvariant sind und (2) die Raytracing-Gleichung im Gradientenindex des AGILE skaleninvariant ist. Daher ist die Höhenoptimierungsstudie auch skalierbar. Kürzere AGILEs sind verlustbehaftet und die Effizienz steigt mit zunehmender Länge des AGILEs. Einer der Hauptmechanismen zur Strahlenabweisung kommt von den Seitenwänden im oberen Eckbereich des AGILE. Je kürzer die Höhe des Konzentrators wird, desto kleiner wird der Eckwinkel. Der Brechungsindexgradient innerhalb des AGILE im Eckbereich ist nicht groß genug, um die Strahlen zu krümmen, bevor sie von der Seitenwand nach außen reflektiert werden. Der kombinierte Effekt des kleinen Eckwinkels und der nicht ausreichenden Indexvariation in diesem Raum besteht darin, dass Strahlen aus einem kurzen AGILE entweichen. Ein hoher AGILE sorgt für einen großen Eckwinkel und somit für eine nahezu perfekte Lichterfassung. Tatsächlich sind die Materialübertragungsverluste und die Anzahl der Reflexionen/Reflexionen umso größer, je länger das AGILE wird. Daher gibt es eine Grenze für die Dauer des AGILE. Eine weitere Verlustquelle könnten neben der nicht idealen Höhe des Geräts abrupte Indexschwankungen sein. Referenz 25 berichtet, dass in inhomogenen Medien das Reflexionsvermögen vernachlässigbar ist, selbst wenn der ∆RI (dh die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten RI) groß ist, solange die RI-Steigung gleich ∆RI/(2λ) oder kleiner ist. Es gibt jedoch eine abrupte Grenze um ∆RI/[(1/20)λ], wo das Reflexionsvermögen stark ansteigt. Bei AGILE ist die RI-Steigung 5 Größenordnungen niedriger als die abrupte Grenze. Die Indexschwankung erfolgt allmählich über eine große Entfernung im Vergleich zur Wellenlänge in AGILE, sodass diese abrupte Grenze, bei der Reflexionen von Indexschwankungen signifikant werden, nicht erreicht wird.

Wir verwenden Raytracing-Simulationen, die mit der Software FRED durchgeführt wurden, um die optimale Höhe zu finden, wie in Abb. 3 dargestellt. Sowohl in Simulationen als auch in Experimenten haben wir uns auf Strukturen mit linearer Seitenwandgeometrie konzentriert. Jede Kurve in Abb. 3 wurde aus mehreren Simulationen erstellt. Jeder Punkt stellt ein bestimmtes AGILE-Gerät mit einer bestimmten Höhe, Konzentration und Indexvariation dar, und der Punktwert gibt die Integration der Transmission über Einfallswinkel von 0° bis 90° im Vergleich zum Eingangslicht an, d. h. die Gesamtleistung über alle Winkel für a besondere Geometrie. Dieser für verschiedene Höhen wiederholte Vorgang ergab eine Kurve für eine Kombination aus Konzentration und Indexvariation. Jede Kurve basiert auf etwa 400 Simulationen. In Abb. 3 ist die Obergrenze die maximale Effizienz von 1 (das gesamte auf die Eingangsöffnung einfallende Licht erreicht den Ausgang). Das Verhältnis „Höhe zu Eingangsdurchmesser“ bestimmt die Effizienz, da dieses Verhältnis den Seitenwandwinkel und damit die Retention der Strahlen innerhalb der Struktur steuert. Entsprechend Gl. In 3 wurde der Konzentrationsfaktor der Anzahl der Sonnen (d. h. das Flächenverkleinerungsverhältnis) von 6,25, 12,25 und 20,25 so gewählt, dass er kleiner, gleich und größer als das Quadrat der Indexvariation (3,52 und 4,52) in den simulierten AGILEs ist , um zu bewerten, wie sich diese Kurven voneinander unterscheiden. Für alle Simulationen ist der Eingangsdurchmesser die Quadratwurzel der Konzentration und der Ausgangsdurchmesser beträgt 1. Für die AGILEs mit 6,25 Sonnen beträgt der Eingangsdurchmesser 2,5 und der Ausgangsdurchmesser 1, für die AGILEs mit 12,25 Sonnen beträgt der Eingangsdurchmesser 3,5 und der Ausgangsdurchmesser 1, und für die 20,25 Suns AGILEs beträgt der Eingangsdurchmesser 4,5 und der Ausgangsdurchmesser 1. Die Höhe wird mit einem Ausgangsdurchmesser von 1 normalisiert. Für die verschiedenen Kurven in Abb. 3 erreicht der Wirkungsgrad fast das Maximum von 1, wenn die Höhe der Das simulierte Gerät entspricht ungefähr dem Eingangsdurchmesser. Beispielsweise ergibt für die Kurve „12,25 Sonnen, n 1 bis 3,5“ eine Höhe von 3,15 bei einem Eingangsdurchmesser von 3,5, also Höhe : Eingangsdurchmesser von 0,9, einen Wirkungsgrad von über 98 %. Ein Seitenverhältnis von Höhe zu Eingangsdurchmesser der AGILE-Struktur von ~ 1:1, bei dem die Effizienzkurve ein Plateau bei nahezu 1 erreicht, gewährleistet einen guten Kompromiss zwischen der Maximierung der Effizienz und der Minimierung der Höhe.

Kurven stellen die Konzentrationsfähigkeit von AGILE dar, dh die Effizienz, in Bezug auf die Höhe für verschiedene Geometrien und Brechungsindexverhältnisse. Ein Seitenverhältnis von Höhe zu Eingangsdurchmesser der AGILE-Struktur von ~ 1:1, bei dem die Effizienzkurve ein Plateau bei nahezu 1 erreicht, gewährleistet einen guten Kompromiss zwischen der Maximierung der Konzentrationseffizienz und der Minimierung der Gerätehöhe. Einen allgemeinen Entwurfsleitfaden finden Sie in Gl. 8

Die Kurven in Abbildung 3 stellen die Konzentrationskapazität von AGILE in Bezug auf die Höhe für verschiedene Geometrien und Brechungsindexverhältnisse dar. Alle Simulationsdaten in Abb. 3 folgen genau der Pareto-Funktion der Form:

mit a und b als Konstanten, H als Höhe und E als Effizienz, die sich ihrem Maximalwert Emax annähert, der der kleinere von 1 und \({{{\mathrm{M}}}} = \frac{{n_{out }}}{{n_{in}}}/\frac{{r_{in}}}{{r_{out}}}\), wenn die Höhe groß wird, wobei nin und nout die Eingabe- und Ausgabeindizes sind, und rin und rout sind die Ein- und Ausgangsradien. Hier wird die Höhe als „H“ bezeichnet und unterscheidet sich von dem kleinen „h“-Parameter, der zuvor in Gleichung verwendet wurde. 6. Wie in Gl. beschrieben. 3: Wenn das Flächenverkleinerungsverhältnis, wie beim Konzentrationsfaktor, gleich dem Quadrat des Indexverhältnisses ist, erreicht der AGILE seine optimale Leistung. Diese optimale Leistung wird als „Designleitfaden“ angezeigt, der an die Höhenoptimierungsdaten für „12,25 Sonnen mit n zwischen 1 und 3,5“ und „20,25 Sonnen mit n zwischen 1 und 4,5“ angepasst ist, wobei M = 1. Die „12,25 Die Kurven „Sonnen mit n zwischen 1 und 4,5“, „6,25 Sonnen mit zwischen 1 und 4,5“ und „6,25 Sonnen mit zwischen 1 und 3,5“ liegen über der Design-Guide-Kurve und den Kurven „20,25 Sonnen mit variierendem n“. Die Kurve von 1 bis 3,5 Fuß liegt unter dem Designleitfaden, da sie im Vergleich zum Flächenverkleinerungsfaktor mehr bzw. weniger Indexabstufung aufweist. Die verallgemeinerte Design-Guide-Kurve wird wie folgt angegeben:

wobei M = \(\frac{{n_{out}}}{{n_{in}}}/\frac{{r_{in}}}{{r_{out}}}\, N = \(\ frac{1}{{n_{in}}} - \frac{1}{{n_{out}}}\) und R = \(\frac{1}{{r_{out}}} - \frac {1}{{r_{in}}}\).

Der obige Designleitfaden charakterisiert, wie sich die Effizienz, wie bei der Konzentrationswirkung des AGILE, mit der Höhe ändert und kann verwendet werden, um je nach Anwendungsanforderungen verschiedene Eintauchkonzentratoren zu erstellen. Das AGILE ist wie oben beschrieben skaleninvariant. Daher ist die Höhenoptimierungsstudie auch skalierbar und dieses verallgemeinerte Ergebnis in Gl. 8 kann auf verschiedene geometrische Konzentrationen und Brechungsindexverhältnisse angewendet werden, da diese Pareto-Funktionskurven über, unter oder nach der optimalen Leistung fallen.

Für Photovoltaik-Systeme (PV), bei denen das Licht in Luft durch die Eintrittsöffnung eintritt (RI ≈ 1) und in einem hochbrechenden PV-Material (z. B. Silizium mit einem RI ≈ 3,5) absorbiert wird, gilt die theoretische passive Konzentration (d. h. das Einfangen von Licht ohne Nachführung). die Bewegung der Quelle), gegeben durch Gl. 1 ist (3,52/12) =12,25. Um dieses Maß an passiver Konzentration zu erreichen, ist die Entwicklung von Materialien mit Breitbandtransparenz und niedrigen bis hohen Indizes erforderlich, die einen großen Bereich der RI-Spreizung ermöglichen. In diesem Abschnitt diskutieren wir realistische AGILE-Designs im Vergleich zu den bisher vorgestellten theoretischen Simulationen, d. h. verfügbare breitbandige transparente optische Materialien mit einem breiten Indexbereich, den Kompromiss zwischen Konzentration und dem verfügbaren abgestuften Indexbereich im AGILE-Design und andere praktische Aspekte Zu den Merkmalen gehören kachelbare/mosaikartige Eingangsöffnungen zur Maximierung des Raum- und Lichteinfangs sowie ein optimales Höhendesign, das auf den Ergebnissen der Höhenoptimierung basiert.

Robuste, breitbandig transparente und kostengünstige abgestufte RI-Materialien waren entscheidend für den Erfolg des AGILE. Wir haben zwei Varianten des AGILE-Prototyps entworfen und hergestellt: eine Pyramide aus gestapelten Glasplatten und eine Gruppe von Kegeln, die mit Polymerschichten unterschiedlichen RI26 gefüllt sind. Die hergestellte Pyramide mit quadratischem Querschnitt ist ein kachelbares Design und die rotationssymmetrische Polymeranordnung, die aus überlappenden Kegelformen besteht, verfügt ebenfalls über eine kachelbare/mosaikartige Eingangsöffnung – von Sechsecken am Eingang bis hin zu Kreisen am Ausgang. Prototypentwürfe sind in Abb. 4a, b zu sehen. Nach umfangreicher Materialsuche, -auswahl und -charakterisierung wurde festgestellt, dass breitbandige transparente optische Gläser mit einem Index von 1,5 bis 2 und breitbandige transparente UV-härtbare Polymere mit einem Index von 1,46 bis 1,625 erhältlich sind. Breitbandtransparenz bedeutet in dieser Anwendung eine hohe optische Transmission im gesamten Sonnenspektrum von etwa ~300 nm bis über ~1200 nm. Materialien mit abgestuftem Index wurden als Schichten mit unterschiedlichen Indizes unter Verwendung der verschiedenen Gläser und der verschiedenen ausgewählten Polymere hergestellt; und dies war eine Annäherung (durch Simulationen verifiziert) an den theoretischen Brechungsindex mit kontinuierlichem Gradienten gemäß Gl. 3. Aus praktischen Gründen haben wir Schichten mit abgestuftem Index verwendet. Ein hyperbolisches Brechungsindexprofil entspricht den hergestellten linearen Seitenwänden der Geräte, wie durch Gleichung (1) angegeben. 6. Die Brechungsindizes verschiedener Gläser und Polymere in den verschiedenen Schichten über die Höhe der hergestellten Geräte sind in Abb. 4c (Glaspyramide) und Abb. 4d (Polymercluster) zusammen mit dem entsprechenden theoretischen kontinuierlichen hyperbolischen Gradientenindex gemäß dargestellt Gl. 6 zum Vergleich.

AGILE Strukturen mit kachelbaren Eingabeflächen: eine Pyramide mit quadratischem Querschnitt und eine Gruppe von 7 überlappenden Kegeln. Dargestellt ist die Höhenachse von der Eingangsöffnung zur Ausgangsöffnung, was sowohl für a als auch b gilt. Abstufung des Brechungsindex von niedrig nach hoch in den beiden Strukturen entlang der Höhe des Geräts: c in der Glaspyramide und d im Polymercluster. Die größeren Öffnungen oben haben einen niedrigeren Brechungsindex und das Schüttgut ist so abgestuft, dass es an den kleineren Öffnungen unten zu einem höheren Brechungsindex ansteigt. In den Diagrammen c und d vergleichen wir die Brechungsindizes der verschiedenen Gläser und Polymere, die in den Schichten über die Höhe der hergestellten AGILE-Geräte (die Stufen) verwendet werden, mit dem theoretischen kontinuierlichen hyperbolischen Index gemäß Gl. 6 (die gepunkteten Kurven).

Die Pyramide wurde aus verschiedenen optischen Glasplatten hergestellt, deren Index von 1,5 bis 2 variierte (Liste der Gläser von Ohara Corp. in Anhang B der Zusatzdatei). Nach einer umfangreichen Suche wurden diese Gläser aus verfügbaren Gläsern optischer Qualität ausgewählt, sodass sie eine ähnliche Wärmeausdehnung und Glasübergangstemperaturen, eine hohe Breitbandtransmission im Sonnenspektrum und einen über einen weiten Bereich gleichmäßig verteilten RI aufweisen. Um die Fertigung zu vereinfachen, erstellen wir Strukturen mit linearer Seitenwandgeometrie. Der Konzentrationseffizienzunterschied zwischen AGILE und dem idealen hyperbolischen Indexprofil, das einer linearen Seitenwand entspricht, ist in Gl. 6 und das von uns hergestellte Schichtindexprofil ist sehr klein. In Abb. 4 c und d können wir vergleichen, wie die ausgewählten Materialschichten im Vergleich zum nominalen hyperbolischen Indexprofil abschneiden. Die Geometrie der Pyramide war ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 14,5 mm bis hin zu einem Quadrat von 8,5 mm, was eine Konzentration von 3 ergibt, entlang einer Gesamthöhe von 8 mm mit 8 Glasschichten, wobei jede Ebene 1 mm dick war. Die Gläser wurden in Quadrate geschnitten, auf beiden Seiten poliert und gründlich gereinigt. Das Verbinden dieser verschiedenen Glasplatten war eine anspruchsvolle Aufgabe: Es wurden Versuche zum Schmelzen von Gläsern in einem Ofen, zum Silikatbinden27, zum Diffusionsbinden in einer Heißpresse28, zum anodischen Bonden29 und zum Bonden mit SoG (Spin-on-Glass)30 unternommen. Wir haben einen Druckschraubstock für die Glasplatten aus Teflonstiften und einem mechanischen Hochdruckschraubstock gebaut. Es wurde versucht, die polierten Flächen nach der Plasmabehandlung direkt zu verbinden und anodisch mit Spannung (bis zu 30 kV) und Hitze zu verbinden. Diese Versuche führten jedoch nicht zu dem mechanisch robusten Verbundglasstapel, der für die Bearbeitung erforderlich ist. Für die Schnittstellen, die nicht anodisch verklebt waren, wurde zwischen den Glasflächen Klebstoff optischer Qualität verwendet, um alle nicht ebenen Unebenheiten auszufüllen, während er unter dem Druckschraubstock an Ort und Stelle gehalten wurde, um überschüssigen Klebstoff zu entfernen. Dadurch entstand erfolgreich ein robustes Glas mit abgestuftem Index Materialschichtung mit einem RI von 1,5 bis 2. Das Fransenmuster vor dem Hinzufügen des Klebers wurde notiert und zur Berechnung des Abstands zwischen den nicht ideal polierten Flächen verwendet. Im Streifenmuster waren Keile und Kurven zu sehen, die auf einen ungleichmäßigen Abstand hindeuteten. Der maximale Abstand wurde mit 0,8 Mikrometern berechnet. Die Pyramidenform wurde in diesem Glasstapel mikrobearbeitet. Um die Seitenwände reflektierend zu machen und nicht nur auf Totalreflexion angewiesen zu sein, wurden die Seitenwände der Pyramide mit Aluminium beschichtet. Der Herstellungsablauf der Pyramide ist in Abb. 5 zu sehen.

Schritte zur Herstellung einer Glaspyramide: dünne Glasplatten mit unterschiedlichen Brechungsindizes werden miteinander verbunden und die Pyramidenform im Stapel bearbeitet. In den Ecken ist das „Schachbrettmuster“ zu sehen, das aufgrund der abgestuften Indexschichten eine optische Täuschung darstellt, b auf den Seitenwänden abgeschiedenes Aluminium, c Pyramide in optischem Kontakt mit der Solarzelle absorbiert und konzentriert den größten Teil des einfallenden Lichts und erscheint dunkel.

Für die experimentelle Demonstration von AGILE unter Verwendung von Polymeren wurden breitbandige transparente UV-härtbare optische Polymere ausgewählt. Bei der einzelnen AGILE-Struktur bestand das Problem, dass sie, um das gesamte Licht am Ausgang zu sammeln, direkt auf dem Fotodetektor hergestellt oder mit einer entsprechenden Antireflexionsbeschichtung optisch verbunden werden musste. Bei einem Back-to-Back-AGILE waren Transmissionsmessungen einfacher, da die übertragene Leistung in einem Medium mit niedrigem Index, also Luft, erfolgte, sodass ein Fotodetektor mit einer Standard-AR-Beschichtung (Antireflexion) ausreichend war. Bei einem aufeinanderfolgenden AGILE ging das Licht von einer größeren Öffnung zu einer kleineren und dann zurück zu einer größeren, wodurch der Konzentrationseffekt nachgewiesen wurde. Der einzelne AGILE war die zu demonstrierende Grundstruktur, der Back-to-Back-AGILE wurde ausschließlich zu Testzwecken hergestellt und stellt den idealen AGILE-Konzentrator dar, der direkt auf einem Detektor hergestellt wird. Es wurde eine Array-Struktur erstellt – AGILE Rücken-an-Rücken-Anordnung aus 7 überlappenden Kegeln am Eingang, die von einem Durchmesser von 7 mm auf 4 mm abnehmen und über eine Höhe von 10 mm wieder auf 7 mm ansteigen, mit einer Konzentration von 3 Sonnen ( Berechnung der überlappenden Eingangsaperturfläche im Anhang C in der Zusatzdatei). In Abb. 6c sind drei Strukturen dargestellt: 2 Sonnen AGILE-Kegel (Durchmesser 7 mm bis 5 mm und Indexvariation von 1,46 bis 1,56), 3 Sonnen (7 überlappende Kegel mit 7 mm bis 4 mm Durchmesser) Rücken an Rücken AGILE mit 10 Schichten (Indexvariation von 1,46 bis 1,56) und 3 Sonnen Rücken an Rücken AGILE mit 12 Schichten Variation (Indexvariation von 1,46 bis 1,625). Das AGILE-Array ist eine Erweiterung der Demonstration des 2 Suns AGILE auf 3 Suns (Durchmesser 7 mm bis Durchmesser 4 mm). UV-härtbare Polymere mit unterschiedlichen Indizes wurden volumetrisch Schicht für Schicht in polierten Aluminiumkegelformen ausgehärtet, um die AGILE-Prototypen zu erstellen31. Anhang D in der Zusatzdatei enthält die Herstellungsschritte, die zum Erstellen dieser Polymerstapel mit abgestuftem Index verwendet werden.

Bei der Charakterisierung der Leistung der Glaspyramide wurde darauf geachtet, mithilfe einer Indexanpassungsflüssigkeit mit einem RI von 1,7 (Cargille Labs) einen optischen Kontakt zwischen der Pyramide und dem Fotodetektor herzustellen. Dieser RI-Wert ist nicht ideal, wird aber gewählt, weil Flüssigkeiten mit gleichem Brechungsindex und höheren Werten das hochbrechende Glas der Pyramide am Ausgang korrodieren und diese Flüssigkeiten als Gefahrstoffe behandelt werden müssen oder weil die Flüssigkeiten eine Farbe haben, also keine Breitbandigkeit transparent. Die hergestellten AGILEs wurden getestet, indem die Menge an Laserlicht, die den Fotodetektor über einen festen Aperturbereich (Eingangsapertur von AGILE) erreichte, mit und ohne AGILE verglichen wurde, um die Konzentratorleistung zu bewerten. Der Messaufbau ist in Abb. 6a dargestellt und umfasst einen roten HeNe-Laser, einen Strahlaufweiter, einen Rotationstisch, einen Halter für AGILE und einen Fotodetektor. Einzelheiten zum Messaufbau und zum Testablauf finden Sie im Anhang E der Zusatzdatei.

a Schematische Darstellung des Messaufbaus, b experimentelle Leistung der Glaspyramide und c experimentelle Leistung des Polymer-AGILE, beide für eine Konzentration von 3 Sonnen, d. h. das auf die Glas- und Polymer-AGILE-Prototypen einfallende Licht wurde am Ausgang erfolgreich auf dreimal kleinere Bereiche konzentriert.

Aus Abb. 6b ist ersichtlich, dass die Ergebnisse der beiden Glaspyramidensimulationen in ihrer Leistung mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Es gibt mindestens zwei unterschiedliche Methoden zur Messung der Lichtkonzentration durch eine Pyramidenform über verschiedene Einfallswinkel hinweg. Dies liegt daran, dass die Pyramide im Gegensatz zum Kegelhaufen keine Rotationssymmetrie aufweist. Die beiden Ergebnissätze für die Pyramidenform sind (1) die Winkelmessungen, die mit Drehung entlang der Seite der quadratischen Eingangsöffnung der Pyramide durchgeführt wurden (in Abb. 6b als „0°-Drehung“ bezeichnet), und (2) die Drehung entlang die Diagonale der quadratischen Eingangsöffnung der Pyramide (in Abb. 6b als „45°-Drehung“ bezeichnet). Die optischen Übertragungsergebnisse der Pyramide bei einer Drehung um 45° sind etwas niedriger als die Ergebnisse bei einer Drehung um 0°. Diese geringere Transmission kann durch die Eckreflexionswirkung der Pyramide erklärt werden, die die Anzahl der Strahlenreflexionen erhöhen und Verluste verursachen kann und nicht vorhanden ist, wenn nur entlang der Seiten der Pyramide gedreht/geschwenkt wird. Die Messungen wurden mit grünen und blauen LED-Quellen und unter einem Sonnensimulator erneut durchgeführt und verifiziert und sie verfolgen die mit dem HeNe-Laser gemessenen Ergebnisse; Nachweis der Breitbandübertragung und Funktion als Solarkonzentrator. Raytracing-Simulationen der Leistung des Pyramidenkonzentrators sind in Abb. 6b zusammen mit experimentellen Ergebnissen dargestellt. Die Verluste an jeder Kreuzung/Grenzfläche in der Schichtstruktur wurden in der Simulation berücksichtigt, indem die Indizes und Dicken der Glasflächen und der Indexanpassungsschicht einbezogen wurden. Licht verließ die Pyramide von der letzten Glasschicht mit RI 2, trat dann in die 0,2 Mikron-Index-passende Flüssigkeit mit RI 1,7 und dann in dieser Reihenfolge in das Siliziummaterial des Detektors mit RI von etwa 3,5 ein. Die im Vergleich zu den Simulationen geringere Transmissionsleistung der Pyramide ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich zwischen den Gläsern dünne Klebeschichten befinden, der Materialverlust der Struktur und die Beschichtungen auf dem Solarzellendetektor, die in nicht berücksichtigt wurden die Simulationen. Bei normalem Einfall sagt die Simulation eine Transmission von etwa 0,83 voraus. Im Vergleich dazu beträgt die höchste experimentell gemessene Transmission bei senkrechtem Einfall durch die Pyramide etwa 0,72.

Wie in Abb. 6c zu sehen ist, zeigten die Rücken-an-Rücken-Polymer-AGILE-Strukturen eine sehr gute Leistung und konnten den Großteil des Lichts, das auf die kreisförmige Öffnung mit 7 mm Durchmesser einfiel, durch die kleinere Öffnung mit 4 mm Durchmesser auf halber Strecke konzentrieren Achse in jedem Kegel des Clusters. Die experimentellen Konzentrationseffizienzen hätten für das einzelne AGILE und für die Glaspyramide im Vergleich zu den aufeinanderfolgenden Ergebnissen ähnlich sein sollen, aber Reflexionen an der AGILE-Fotodetektor-Grenzfläche führten zu einer verringerten Transmission, wie in Abb. 6c dargestellt. Diese geringere Transmission unterstreicht die Bedeutung der optischen und mechanischen Verbindung und des Eintauchens zwischen AGILE und Detektor. Ein ideales AGILE-System umfasst die Herstellung des AGILE direkt auf einem Solarzellendetektor für eine perfekte Lichterfassung, -ausbreitung und -umwandlung. Die Kurven in Abb. 6c zeigen eine annähernd sinusförmige Modulation der Übertragung durch das AGILE. Diese harmonische Modulation war bei einer einzelnen Wellenlänge stärker ausgeprägt als bei einer breitbandigen Beleuchtung, was typisch für Interferenzeffekte ist. Um die Schichtdicke d in diesem Resonanzeffekt vom Fabry-Perot-Typ abzuschätzen, ist \(\normalsize \large \large \normalsize \normalsize 2\pi m = \frac{{4\pi n_fd\,{{{\mathrm{cos} }}}\theta }}{\lambda }\) mit dem RI der Schicht, d. h. nf = 2, m = ganze Zahl = 1, λ = 632,8 nm und θ = 0°; Wir finden d = 157 nm, was ungefähr der Dicke der Antireflexionsbeschichtung/Passivierungsschicht auf einer Standardsolarzelle/einem Standarddetektor entspricht. Konstruktive Interferenz auf der Übertragungsseite ist auf die unterschiedlichen resonanten Wellenfronten zurückzuführen, die in Phase eintreffen und das Signal bei bestimmten Einfallswinkeln verstärken. Bei destruktiven Interferenzeinbrüchen ist das Gegenteil der Fall. Dies bedeutet auch, dass die harmonische Variation nicht durch die abgestuften Indexschichten im Back-to-Back-AGILE verursacht wird, wo Schichten aus verschiedenen Polymertypen über eine Höhe von 20 mm jede Schicht im 10-Schicht-Cluster 2 mm dick und 1,67 mm dick machen mm dick in der 12-Schicht-Variante. Wie erwartet liegen die Transmissionskurven aller AGILE-Geräte zwischen denen der theoretischen Maximalkurven der konischen Cluster mit 4 mm Durchmesser (Ausgangsöffnung) und 7 mm Durchmesser (Eingangsöffnung) (rote und grüne gepunktete Linien). Es war bemerkenswert, dass die aufeinanderfolgenden AGILE-Ergebnisse (blaue Linie mit quadratischen Symbolen) der theoretischen maximalen Cosinus-Projektionskurve über den gesamten Winkelbereich recht gut folgen (bei normalem Einfall beträgt beispielsweise die experimentell gemessene Transmission durch den Polymercluster ~). 0,93, also über 90 % Wirkungsgrad). Die Ergebnisse zeigen, dass Licht, das aus allen Winkeln auf den AGILE-Cluster einfällt, erfolgreich auf einen dreimal kleineren Bereich konzentriert wurde.

Auch wenn die Inspiration für das AGILE-Design nicht aus der Natur stammt, gibt es Merkmale von AGILE, die in der Netzhaut von Fischen (z. B. Gnathonemus) und in den Facettenaugen von Insekten (z. B. Lepidoptera) zu finden sind, wo ein Gradientenindex als Anti-Antikörper vorhanden ist. Reflexion, um die Transmission zu maximieren und Tarnung zu ermöglichen32,33. Die menschliche Augenlinse ist ebenfalls eine Schichtstruktur mit einem RI-Gradienten im Bereich von etwa 1,406 bis 1,38634, dh weist ein (RI-Verhältnis)2 von 1,03 auf. Wir haben die Idee des Gradienten-Immersion-Index weiterentwickelt und Geräte mit einem (RI-Verhältnis)2 von bis zu 2 entwickelt und hergestellt und damit die Grenzen der Natur, der Glasfaserindustrie oder der Forschung überschritten35,36,37.

Eine Immersionsgradientenindexoptik als effektiver, nicht nachlaufender optischer Konzentrator wurde konzipiert, simuliert und hergestellt. Es wurde festgestellt, dass die Wahl des 1:1-Seitenverhältnisses von Höhe zu Eingangsdurchmesser der AGILE-Struktur einen guten Kompromiss zwischen der Maximierung der Lichteinfangmenge und der Minimierung der Gerätehöhe gewährleistet. Wir präsentieren eine verallgemeinerte Design-Guide-Gleichung, die die Brechungsindizes und die Geometrie in Beziehung setzt und zur Herstellung verschiedener optischer Konzentratoren mit Immersionsgrad verwendet werden kann.

Um fehlerfreie Materialien mit einem großen abgestuften RI-Bereich zu schaffen, waren die Suche nach geeigneten transparenten Breitbandmaterialien und die Innovation mehrerer Herstellungstechniken mit mehreren Iterationen erforderlich. Die Approximation des idealen Gradientenindex mit einem diskreten Stufenindex führt zu Ergebnissen, die nahe am theoretischen Maximum liegen. Die AGILE-Prototypen: Die Glaspyramide, die durch Stapeln verschiedener Glasplatten hergestellt wurde, und die Polymeranordnung überlappender Kegel, die in einer Aluminiumschablone hergestellt wurden, demonstrierten experimentell eine passive Konzentration von drei Sonnen. Das einfach zu testende und zu verifizierende, aufeinanderfolgende AGILE-Array verfolgte das theoretische Maximum des Cosinus-Theta über alle Einfallswinkel hinweg. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen von Einzel- und Back-to-Back-Geräten machte deutlich, wie wichtig der optische Kontakt zwischen dem Konzentrator und dem Detektor/der Solarzelle, also das Eintauchen, ist. Anspruchsvollere AGILE-Designs beinhalten den Einbau einer Linsenoberseite, um die Lichtsammlung zu erhöhen. Subwellenlängen-Nanostrukturierung, Porosität und Aerogele zur Erzeugung der Seite mit niedrigem Index;38,39,40,41,42,43 Verstärkung der oberen Oberfläche für den Kontakt mit der Umwelt;44 funktionalisierte Nanopartikel-Füllschichten45 und Nanostrukturierung46,47 mit Passivierung in der PV-Zelle, um die hohen Werte des RI zu erzeugen, dh um den Bereich des abgestuften Index zu vergrößern; ein optimiertes Seitenwandprofil, das dem gemäß Gl. verwendeten Indexprofil entspricht. 4; und einen 3D-Gradientenindex sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, um die Höhe des Konzentrators zu verringern und die Notwendigkeit einer reflektierenden Seitenwand zu eliminieren.

Erfolgreiche Herstellung und Demonstration von Konzentratoren in optischer Qualität unter Verwendung von Polymeren: (1) ermöglichen leichtgewichtige, flexible Strukturen und die Möglichkeit, direkt auf strukturierten Solarzellen/Detektoren herzustellen, (2) bieten eine effektive Kapselung und kostengünstige Panel-Verpackung zusammen mit der Kompensation der PV-Kosten die optische Konzentration und (3) ermöglichen die Möglichkeit einer großtechnischen Fertigung durch Sprühbeschichtung, automatisches Pipettieren, Mehrmaßstabsdruck, Gießen, Formen und 3D-Druck48. Die Ergebnisse der Funktionsprototypen zeigen, dass die Immersion-Graded-Index-Technologie die Art und Weise, wie wir uns konzentrieren und Licht einkoppeln, um ein Vielfaches verbessern kann. Der AGILE hat das Potenzial, optoelektronische Systeme erheblich zu verbessern, indem er die Kosten senkt, die Effizienz erhöht und ein skalierbares Konzentrationssystem mit integrierter Antireflexion und Kapselung ohne die Notwendigkeit einer Nachführung bereitstellt.

Wiesenfarth, M., Anton, I. & Bett, AW Herausforderungen beim Design von Konzentrator-Photovoltaikmodulen (CPV) zur Erzielung höchster Wirkungsgrade. Appl. Physik. Rev. 5, 041601 (2018).

Artikel Google Scholar

O'Neill, M. et al. Jüngste Fortschritte bei PV-Konzentratoren für den Weltraum: robuster, leichter und einfacher zu verfolgen. Im Jahr 2015 IEEE 42. Photovoltaic Specialist Conference (PVSC) 1–6 (IEEE, 2015).

Madala, S. & Boehm, RF Ein Überblick über nichtbildgebende Solarkonzentratoren für stationäre und passive Tracking-Anwendungen. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 71, 309–322 (2017).

Artikel Google Scholar

Leutz, R., Suzuki, A., Akisawa, A. & Kashiwagi, T. Design einer nicht abbildenden Fresnellinse für Solarkonzentratoren1. Sol. Energy 65, 379–387 (1999).

Artikel Google Scholar

Benítez, P. et al. Hochleistungs-Photovoltaik-Konzentrator auf Fresnel-Basis. Opt. Express 18, A25–A40 (2010).

Artikel Google Scholar

Wang, G. et al. Experimentelle und optische Leistungen eines solaren CPV-Geräts unter Verwendung eines linearen Fresnel-Reflektorkonzentrators. Erneuern. Energie 146, 2351–2361 (2020).

Artikel Google Scholar

Osuna, R., Fernandez, V., Romero, M. & Marcos, MJ PS10, ein 10-MW-Solarturmkraftwerk für Südspanien. Energie 2000, 386–393 (2000).

Vaidya, N. et al. Leichte Kohlefaserspiegel für Solarkonzentratoranwendungen. Im Jahr 2017 IEEE 44. Photovoltaic Specialist Conference (PVSC) 572–577 (IEEE, 2017).

Winston, R. Parabolkonzentratoren mit dielektrischer Verbindung. Appl. Opt. 15, 291–292 (1976).

Artikel Google Scholar

McDonald, M., SolFocus Inc. Einkapselungsmittel mit modifiziertem Brechungsindex. US-Patentanmeldung 12/209.675 (2010).

Karp, JH, Tremblay, EJ & Ford, JE Planarer mikrooptischer Solarkonzentrator. Opt. Express 18, 1122–1133 (2010).

Tremblay, EJ, Zagolla, V., Loterie, D. und Moser, C. Selbstverfolgender planarer Konzentrator unter Verwendung eines solarbetriebenen Phasenwechselmechanismus. In Physik, Simulation und Photoniktechnik für Photovoltaikgeräte II. (Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik, 2013).

Phelan, M. et al. Außenleistung eines Tandem-InGaP/Si-Photovoltaik-Lumineszenz-Solarkonzentrators. Sol. Energie Mater. Sol. Zellen 223, 110945 (2021).

Artikel Google Scholar

Marhic, ME, Kotzin, MD & Van den Heuvel, AP Reflektoren und Immersionslinsen für Detektoren diffuser Strahlung. JOSA 72, 352–355 (1982).

Artikel Google Scholar

Raman, A., Yu, Z. & Fan, S. Dielektrische Nanostrukturen für breitbandiges Lichteinfangen in organischen Solarzellen. Opt. Express 19, 19015–19026 (2011).

Artikel Google Scholar

Solgaard, O., Dauskardt, R. & Vaidya, N. In Längsrichtung abgestufte Indexlinse. US-Patent 9.329.308 (2016).

Weiss, A. & Norman, JM Aufteilung der Sonnenstrahlung in direkte und diffuse, sichtbare und nahinfrarote Komponenten. In Agricultural and Forest Meteorology 205–213 (1985).

Koshel, RJ Beleuchtungstechnik: Design mit nicht abbildender Optik. 153 (John Wiley & Sons., 2012).

Drude, P., Riborg, C. & Millikan, RA The Theory of Optics… Aus dem Deutschen übersetzt von CR Mann und RA Millikan. (London; New York, 1902).

Smestad, G., Ries, H., Winston, R. & Yablonovitch, E. Die thermodynamischen Grenzen von Lichtkonzentratoren. Solarenergie. Materialien 21, 99–111 (1990).

Google Scholar

Mansfield, SM & Kino, GS Solides Immersionsmikroskop. Appl. Physik. Lette. 57, 2615–2616 (1990).

Artikel Google Scholar

Owa, S. & Nagasaka, H. Immersionslithographie: ihre potenzielle Leistung und Probleme. In der optischen Mikrolithographie XVI 724–733. (Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik, 2003).

Chaves, J. Einführung in die nichtabbildende Optik. (CRC Press, 2008).

Vaidya, N., Dauskardt, R. & Solgaard, O. AGILE: Axially Graded Index LEns als nicht nachgeführter Solarkonzentrator. In Optik für Solarenergie. (Optische Gesellschaft von Amerika, 2011).

Diamant, R. & Fernández-Guasti, M. Lichtausbreitung in inhomogenen deterministischen 1D-Medien: der Effekt von Diskontinuitäten. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11, 045712 (2009).

Artikel Google Scholar

Vaidya, N. & Solgaard, O. Immersionsindexoptik für passive Solarkonzentratoren. In Photovoltaic Specialist Conference (PVSC) 1–3 (IEEE, 2015).

Sinha, S., Urbanek, KE, Krzywicki, A. & Byer, RL Untersuchung der Eignung der Silikatbindung für den Facettenabschluss in aktiven Fasergeräten. Opt. Express 15, 13003–13022 (2007).

Artikel Google Scholar

Gordon, L. et al. Diffusionsgebundenes gestapeltes GaAs zur quasiphasenangepassten Erzeugung der zweiten Harmonischen eines Kohlendioxidlasers. Elektron. Lette. 29, 1942–1944 (1993).

Artikel Google Scholar

Lee, TM, Lee, DH, Liaw, CY, Lao, AI & Hsing, IM Detaillierte Charakterisierung des anodischen Bindungsprozesses zwischen Glas und dünnschichtbeschichteten Siliziumsubstraten. Sens. Aktoren A Phys. 86, 103–107 (2000).

Artikel Google Scholar

Lee, JH et al. Smart-Cut-Schichtübertragung von einkristallinem SiC mittels Spin-on-Glas. J. Vac. Wissenschaft. Technol. B. 30, 042001 (2012).

Artikel Google Scholar

Vaidya, N. & Solgaard, O. 3D-gedruckte Optik mit Oberflächenrauheit im Nanometerbereich. Mikrosystem. Nanoengineering Nat. 4, 18 (2018).

Artikel Google Scholar

Kreysing, M. et al. Photonische Kristalllichtsammler in der Netzhaut von Fischen verbessern die Sicht in trübem Wasser. Wissenschaft 336, 1700–1703 (2012).

Artikel Google Scholar

Bernhard, CG, Gemne, G. & Sällström, J. Vergleichende Ultrastruktur der Hornhautoberflächentopographie bei Insekten mit Aspekten der Phylogenese und Funktion. Z. f.ür. Vgl. Physiologie 67, 1–25 (1970).

Artikel Google Scholar

Hecht, E. Optik. In der 4. internationalen Ausgabe (Addison-Wesley, San Francisco, 2002).

Koike, Y., Ishigure, T. & Nihei, E. Optische Polymerfaser mit hoher Bandbreite und abgestuftem Index. J. Lightwave Technol. 13, 1475–1489 (1995).

Artikel Google Scholar

Anuszkiewicz, A. et al. Optische Fasern aus Quarzglas mit nanostrukturiertem Kern mit abgestuftem Index. Wissenschaft. Rep. 8, 1–13 (2018).

Artikel Google Scholar

Dylla-Spears, R. et al. 3D-gedruckte Gradientenindex-Glasoptik. Wissenschaft. Adv. 6, eabc7429 (2020).

Artikel Google Scholar

Xi, JQ et al. Optische Dünnschichtmaterialien mit niedrigem Brechungsindex zur breitbandigen Eliminierung der Fresnel-Reflexion. Nat. Photonics 1, 176–179 (2007).

Artikel Google Scholar

Park, KC et al. Nanotexturierte Silica-Oberflächen mit robuster Superhydrophobie und omnidirektionaler Breitband-Supertransmissivität. ACS Nano 6, 3789–3799 (2012).

Artikel Google Scholar

Dubois, G. et al. Überlegene mechanische Eigenschaften dichter und poröser organischer/anorganischer Hybriddünnfilme. J. Sol. Gel-Sci. Technol. 48, 187–193 (2008).

Artikel Google Scholar

Ong, MD et al. Molekular kontrollierter Bruch und Freisetzung templatgesteuerter nanoporöser Organosilicat-Dünnfilme. Adv. Mater. 20, 3159–3164 (2008).

Artikel Google Scholar

Gurav, JL, Jung, IK, Park, HH, Kang, ES & Nadargi, DY Silica-Aerogel: Synthese und Anwendungen. J. Nanomaterials 2010, 409310 (2010).

Prakash, SS, Brinker, CJ & Hurd, AJ Silica-Aerogelfilme bei Umgebungsdruck. J. Non-Crystalline Solids 190, 264–275 (1995).

Artikel Google Scholar

Dubois, G. et al. Molekulare Netzwerkverstärkung von Sol-Gel-Gläsern. Adv. Mater. 19, 3989–3994 (2007).

Artikel Google Scholar

Althues, H., Henle, J. & Kaskel, S. Funktionelle anorganische Nanofüllstoffe für transparente Polymere. Chem. Soc. Rev. 36, 1454–1465 (2007).

Artikel Google Scholar

Hsu, CM, Connor, ST, Tang, MX & Cui, Y. Silizium-Nanosäulen und -Nanokegel im Wafer-Maßstab durch Langmuir-Blodgett-Zusammenbau und Ätzen. Appl. Physik. Lette. 93, 133109 (2008).

Artikel Google Scholar

Narasimhan, VK & Cui, Y. Nanostrukturen für das Photonenmanagement in Solarzellen. Nanophotonics 2, 187–210 (2013).

Artikel Google Scholar

Vaidya, N., Carver, TE & Solgaard, O. Geräteherstellung mittels 3D-Druck. US-Patent 62/267.175 (2015).

Referenzen herunterladen

Die Fertigungsarbeiten wurden im flexiblen Reinraum in Spilker, Stanford University, durchgeführt und wir sind dankbar für wertvolle Gespräche und Hilfe bei kundenspezifischen Fertigungsaufbauten von Thomas E. Carver. Wir danken Prof. Reinhold H. Dauskardt für seine Ratschläge zur Materialwissenschaft. Vielen Dank an Michael J. Mandella für die Hilfe bei FRED (optische Simulationssoftware zur Gestaltung von AGILE). Wir danken Timothy R. Brand für die Hilfe bei der Herstellung im Kristallladen. Vielen Dank an Evan Scouros für die Arbeit zur Theorie der Strahlenbahn. Wir sind dankbar für Forschungsgespräche mit J Provine zur Herstellung, Skip Huckaby zum anodischen Bonden, Prof. Robert S. Feigelson für Ratschläge zum Heißpressen von Gläsern und Kiarash Zamani Aghaie für Hilfe bei der Theorie des optischen Modus. Wir danken GCEP (Global Climate and Energy Project) für die Finanzierung und besondere Anerkennung für das Stanford DARE-Stipendium (Diversifying Academia, Recruiting Excellence). Ein Teil der Arbeit wurde an den Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) durchgeführt, unterstützt durch den National Science Foundation Award ECCS-2026822.

Elektrotechnik, Stanford University, Stanford, CA, 94305, USA

Nina Vaidya und Olav Solgaard

Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Physik, University of Southampton, Southampton, SO16 7QF, Großbritannien

Nina Vaidya

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Originalarbeit von Nina Vaidya unter Anleitung von Doktorvater Olav Solgaard.

Korrespondenz mit Nina Vaidya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Vaidya, N., Solgaard, O. Immersions-Graded-Index-Optik: Theorie, Design und Prototypen. Microsyst Nanoeng 8, 69 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00377-z

Zitat herunterladen

Eingegangen: 31. Mai 2021

Überarbeitet: 31. Januar 2022

Angenommen: 23. Februar 2022

Veröffentlicht: 27. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00377-z

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt