Deposition and spectral performance of an inhomogeneous broadband wide-angular antireflective coating

The gradient index coatings and optical filters based on them are a challenge for fabrication. In a round-robin experiment basically the same hybrid antireflection coating for the visible spectral region has been deposited with three different techniques: electron beam evaporation, ion beam sputtering and radio frequency magnetron-sputtering. Spectral performances of such one-side and both-side coated samples have been compared with corresponding theoretical spectra of the designed profile. Also, reproducibility of each process is checked

Antireflective multilayer surface with self-cleaning subwavelength structures

The suppression of optical reflection from a surface is essential in many applications, ranging from displays with reduced disturbance from ambient light to high-efficiency photovoltaic cells and stable light detection and ranging (LIDAR) systems. Traditionally, antireflection (AR) surfaces are made of multilayer (ML) coatings that produce destructive interference of light beams reflected from each interface. More advanced AR surfaces are based on biomimetic nanostructures (NS) that rely on a gradation of refractive index to suppress reflection. While AR-ML coatings tend to work for restricted light wavelengths and angles of incidence, AR-NS can be broadband and omnidirectional. In addition, AR-NS can provide superhydrophobicity and self-cleaning effects. Unfortunately, AR-NS often suffer from mechanical failure, this being more critical for taller structures required for operation at longer wavelengths. Here we propose to combine ML and shorter NS to achieve an AR surface with several crucial advantages, including greater spectral and angular bandwidth and water repellency compared to only AR-ML, easier fabrication, lower scattering, and higher mechanical durability compared to only AR-NS, which requires taller structures. We present theoretical and experimental studies for combined AR-ML-NS glass surfaces operating in the visible (VIS) between 380 and 780 nm and especially at longer wavelengths in the near-infrared (NIR) at around 900 nm, where applications such as LIDAR for autonomous vehicles are of high interest.Author acknowledges financial support from the Spanish State Research Agency through the “Severo Ochoa” Programme for Centres of Excellence in R&D (CEX2019-000910-S) and Project TUNA-SURF (PID2019-106892RB-I00), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, and from Generalitat de Catalunya through the CERCA Program, from AGAUR 2017 SGR1634Peer ReviewedPostprint (published version

Caracterización estructural y funcional de películas delgadas nanoporosas mediante microscopías electrónicas de transmisiónbarrido y espectroscopías ópticas

Nano-structuration of materials at the mesoscale to give rise to porosity-controlled coatings represents an important breakthrough in the area of Materials Science and Engineering, offering new and enhanced functionalities of interest in fields such as optics, optronics and optoelectronics. In order to optimize their performances, in-depth analyses are required: local information about the morphology, composition and atomic structure, the compactness distribution, but also layer homogeneity, interface and interpenetration between stacked layers or oxidation are extremely important factors that can ruin their way of operation. In this particular context, the objective of the present PhD Thesis is to make significant contributions to the study and development of multifunctional porous nanostructured systems, from their design and elaboration, to the maximum knowledge of their structure and properties, through advanced (S)TEM methods, including 3D reconstructions, elemental analyses at the nanoscale and atomic-scale imaging, combined with optical spectroscopy techniques. In the first instance, given the great potential of the slanted nanostructures generated by means of oblique angle depositions, in which the refractive index gradient can be tuned by the columns tilt and density imposed via the growth angles and parameters, OAD broadband antireflective coatings based on Si, Ge or SiO2 OAD films have been designed, manufactured, and extensively characterized with the aim of maximizing the performance of the optical elements in the vis-IR wavelength range. This same approach has also been implemented to enhance the antireflective capabilities of transparent conductive ITO thin films in the near-IR window without compromising too much their electrical response. On the other hand, the advanced structural and functional characterization of porosity-controlled GaN NW arrays grown by plasma-assisted MBE through (S)TEM methods and vis-IR SE elliposmetry, has helped not only to improve growth processes but also to optimize their resulting optical and electrical properties. Finally, the knowledge and methodologies acquired during the study and optimization of the previous porous systems have been transferred to the development of a two-step procedure, based on the deposition and the subsequent fast oxidation of vanadium-based OAD films in open air atmosphere, for the synthesis of thermochromic VO2 coatings of tunable metal-to-insulator response and controlled grain sizes and crystallinities

Durability of antireflective SiO2 coatings with closed pore structure

The use of antireflective coatings to increase the transmittance of the cover glass is a central aspect of achieving high efficiencies for solar collectors and photovoltaics alike. Considering an expected lifetime of 20-30 years for solar energy installations, the durability of the antireflective surfaces is essential. Here, a novel antireflective SiO2 coating with a hexagonally ordered closed pore structure, produced with an aerosol-based sol-gel method is benchmarked against two commercial coatings; produced with acid etching and sol-gel roll coating. The optical and mechanical properties together with contact angle characteristics were evaluated before and after various durability tests, including climate chamber tests, outdoor exposure, and abrasion. Compared to the commercial antireflective coatings with open pore structures, the novel coating performed in parity, or better, in all tests. Based on the results of humidity freeze and industrial climate chamber tests, it appears that the coating with closed pore structure has a better ability to prevent water adsorption. Additionally, the closed pore structure of the coating seems to minimize the accumulation of dirt and deposits. The abrasion and cleanability test further confirm the advantages of a closed pore structure, showcasing the coating's mechanical durability. While the coatings exhibit similar hardness and reduced elastic modulus, the closed pore coating proves to be even harder after undergoing the industrial climate chamber test, but also slightly more brittle, as indicated by the probability of crack initiation. In summary the closed pore structure is well suited for tempered and arid climates, making it a truly competitive alternative to existing antireflective coatings

Broadband Nanostructured Antireflection Coating for Enhancing InAs/GaAs Quantum Dots Solar Cells Performance

The broadband suppression in reflection is one of the primary focuses in high efficiency solar cell research. In this thesis, a moth-eye inspired nanostructure antireflection coating is fabricated on InAs/GaAs quantum dots solar cell in order to enhance the power conversion efficiency. The abrupt refractive index transition between air and GaAs surface is replaced by a tapering zinc oxide nanoneedle on planar tantalum pentoxide coating. The antireflection structure provides gradual reduction of refractive index away from the solar cell top surface. The nanostructured antireflection coating is fabricated by utilizing chemical bath deposition of tapered zinc oxide nanoneedles on planar tantalum pentoxide coating. A sol-gel method was developed to obtain an air stable tantalum pentoxide solution. The thickness of the planar tantalum pentoxide coating was optimized to suppress the reflection at a single wavelength. In addition, hydrothermally grown zinc oxide nanoneedle arrays were optimized by investigating several growth parameters including pH and growth time to obtain a tapered dimension. A tapering zinc oxide nanoneedle structure coupled with a high refractive index tantalum pentoxide layer suppresses the broadband reflectance to less than 1 %. The combined antireflection structure significantly increased the performance, not only in reflectance or transmission spectrum, but also in current-voltage characteristic, external quantum efficiency, and spectral response measurements. A power conversion efficiency enhancement of 30 % was obtained by a single quarter wavelength tantalum pentoxide layer. Adding the tapered zinc oxide nanoneedles on top of the planar tantalum pentoxide layer, the power conversion efficiency enhanced by 50 %. Furthermore, a 60 % enhancement in the external quantum efficiency is obtained for the same wavelength range

Layer-by-Layer Fabrication of High-Performance Broadband Anti-reflection Coatings Comprising Oppositely Charged Nanosheets and Nanoparticles

In this study, we fabricated broadband anti-reflection coatings using a method based on layer-by-layer self assembly of positively charged layer double hydroxide (LDH) nanosheets and negatively charged silica nanoparticles via electrostatic interaction. Scanning electron microscopy and atomic force microscopy were used to observe the morphology, structure, and surface topography of LDH/SiO2 multilayer coatings. The anti-reflection properties of the coatings were investigated by UV visible spectrophotometry. Glass substrates covered with the LDH/SiO2 multilayer coatings exhibited broadband anti-reflection properties. The obtained [LDH(0.4 g/L)/SiO2(25 nm)]8, [LDH(0.4 g/L)/SiO2(50 nm)]10, and [LDH(0.8 g/L)/SiO2(25 nm)]6 coatings exhibited the best broadband anti-reflection properties among the as-prepared LDH/SiO2 multilayer coatings with different deposition cycles. Transmission levels of 97% were achieved in these optimal systems. Moreover, a maximum transmittance of 98% was achieved at a wavelength of 550 nm in the [LDH(0.4 g/L)/SiO2(25nm)]8 system and at 700 nm in the [LDH(0.8 g/L)/SiO2(25nm)]6 system. Different packing patterns of the two oppositely charged nanomaterials (dense packing of LDH nanosheets and loose stacking of silica nanoparticles) and the moderate textured surface of the coatings contributed to the enhanced light transmission and reduced wavelength dependence in the UV visible spectral range

Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

Large-area resonant and non-resonant optical nanostructures

textManipulation of light via subwavelength nanostructures is currently a subject of intense research interest, and is enabling the development of nanostructured photonic crystal, metamaterials and metasurfaces that provide a variety of new optical and electromagnetic functionalities, or that enable existing functionalities to be realized in new and often extremely compact form factors. This dissertation will include wide-angle wavelength-selective metasurface, omnidirectional enhancement in photovoltaic performance via subwavelength gradient anti-reflection coating, and applications of birefringent nanocylinders for single-molecule spectroscopy. In wide-angle wavelength-selective metasurface, high and broad reflectance (~95%) with low absorption (85%) at large angle of incidences (>70°) and insensitivity to polarizations. Integration of the "moth-eye" anti-reflection coating together with nanostructured gradient A1₂O₃/TiO₂ on a GaAs solar cell shows significant improvements on external quantum efficiency (EQE) and short circuit current over all angle of incidences compared with conventional thin film anti-reflection coating. Detailed design, simulation, and fabrication of these nanostructured anti-reflection coating for reducing the discontinuity in refractive index profile will also be discussed. In application of birefringent nanocylinders for single-molecule spectroscopy, the design and fabrication method for large quantity of subwavelength birefringent nanoparticle are also discussed. These birefringent nanoparticles are shown to be stably trapped in an optical torque wrench setup, and enable observation of the dynamical response of a double-stranded DNA under torsional and extensional forces.Electrical and Computer Engineerin

Recolección de luz mediante cristales fotónicos para aplicaciones fotovoltaicas

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Óptica, leída el 14/12/2016Photovoltaic solar cells base their operation on the efficient light absorption and the subsequent conversion into electricity by separation of electric charges. Generally, solar cells use interferencial layers and/or thick absorbers to minimize the optical losses. In recent years, the photovoltaic community has a growing interest in using various types of nanostructures to increase the efficiency, minimizing either the reflectivity and/or increasing the absorption. These techniques are known as light trapping. The use of nanostructures with periodic permittivity, i.e. photonic crystals, can be very beneficial compared to the conventional interferential layers and this enhancement justifies the possible disadvantage of requiring a more complex fabrication. Indeed, photonic crystals have great flexibility in designing the optical response of a system, namely the reflection, transmission and absorption. This flexibility allows to improve efficiency, either by reducing the reflection of the cell and/or increasing the absorption by increasing the effective optical path. This thesis focuses on the design of photonic crystals for 111-V solar cells. These cells achieve the greatest efficiency in converting light to electricity. There is a high interest in improving the already high efficiency to reduce the cost of the produced electricity in terms of kWh/$. These materials are generally used with optical concentration systems, with the consequence that the surface of the semiconductor layer can be reduced three orders of magnitude in comparison to conventional solar cells. This factor obviously lowers the cost of using nanostructures in concentration technology...Las células fotovoltaicas basan su funcionamiento en el atrapamiento eficiente de luz para su posterior conversión en energía eléctrica mediante la separación de cargas. Habitualmente, los sistemas usados paraminimizar las perdidas por fotones no absorbidos se basan en láminas delgadas interferenciales y/o en aumentar el espesor del medio activo. En los últimos años dentro de la comunidad fotovoltaica existe un interés creciente en usar diversos tipos de nanoestructuras para aumentar la eficiencia, ya sea minimizando la reflexión o aumentando la absorción. Estas técnicas son conocidas como light-trapping o de atrapamiento de luz. El uso de nanostructuras ópticas periódicas, es decir cristales fotónicos, puede ser muy beneficioso frente a las laminas interferenciales convencionales y así justificar las posibles desventajas derivadas de necesitar una fabricación más compleja. De hecho, los cristales fotónicos presentan una mayor flexibilidad a la hora de diseñar la respuesta óptica del sistema: reflexión, transmisión y absorción. Esto permite mejorar la eficiencia, ya sea reduciendo la reflexión del sistema y/o incrementando la absorción mediante el aumento del camino óptico efectivo. Esta tesis se centra en el diseño de cristales fotónicos para células basadas en materiales III-V. Estos materiales son los que alcanzan una mayor eficiencia en la conversión de luz a electricidad. Existe un alto interés en mejorar la ya de por si elevada eficiencia de esta tecnología, con el objetivo de reducir el coste de la electricidad producida en terminos de kWh/$. Una característica importante a tener en cuenta es que estos materiales son usados de forma habitual en sistemas ópticos de concentración, con la consecuencia de que la superficie de la capa semiconductora puede reducirse tres ordenes de magnitud con respecto a la de módulos convencionales. Esto obviamente abarata el coste de introducir nanoestructuras en el proceso de fabricación...Depto. de ÓpticaFac. de Ciencias FísicasTRUEunpu