Nieuwe methoden voor het creëren van ultralevendige optische coatings – toepassingen voor zonnepanelen, virtuele displays

Natuurkundigen van de Case Western Reserve University ontwikkelen ultradunne optische coatings die de levensduur van zonnepanelen dramatisch kunnen verlengen, en ook gebieden als gegevensopslag of bescherming tegen namaak kunnen verbeteren.

“Stel je een wereld voor waarin oppervlakken niet alleen levendige kleuren vertonen, maar ook dienen als efficiënte platforms voor het oogsten van energie”, zegt Giuseppe Strangi, hoogleraar natuurkunde van Case Western Reserve. “Dat is de wereld die wij aan het licht brengen.”

Strangi leidt een onderzoeksgroep die de nieuwe optische coatings ontwikkelt, die zo dun zijn als een paar atomaire lagen. Ze kunnen tegelijkertijd smalbandig licht uitzenden en reflecteren met een ongeëvenaarde levendigheid en zuiverheid van de kleuren.

“Ze fungeren als zeer selectieve transparante vensters en als reflecterende spiegels”, zei Strangi, “en deze precisie stelt ons in staat de verschijning van gereflecteerd licht te manipuleren.”

Verlenging van de levensduur van zonnepanelen

De meest veelbelovende toepassing voor de nieuwe optische coatings is het verlengen van de levensduur van zonnepanelen, aldus Strangi.

Zonnepanelen gaan doorgaans zo’n 20 tot 30 jaar mee. Een van de redenen: zonlicht levert energie, maar verwarmt het paneel ook, waardoor de efficiëntie op de korte termijn en de duurzaamheid op de lange termijn afnemen omdat het de materialen afbreekt.

Dat komt omdat er twee specifieke banden in de lichtenergie zitten: de ene (fotovoltaïsche) kan worden opgeslagen als energie, terwijl de andere (thermisch) het paneel verwarmt.

“Maar tot nu toe kon je geen onderscheid maken tussen deze twee, dus om de energie te krijgen, moest je ook de hitte accepteren,” zei Strangi. “Onze coatings scheiden de twee, wat leidt tot een toename van de energieopwekking op de korte termijn en een zesvoudige toename van de levensduur van het paneel.” Case Western Reserve heeft een patent verkregen op de nieuwe materialen, zei Strangi.

De onderzoeksgroep – waartoe ook CWRU-fysicaprofessor Michael Hinczewski en medewerkers van MIT, de Universiteit van Arizona en de Universiteit van Rochester behoren – werkt ook samen met industriële medewerkers in de Verenigde Staten en Finland om de opschaling van de technologie te onderzoeken.

Hun bevindingen waren gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie. Dit meest recente werk bouwde voort op de oorspronkelijke bevindingen van de groep, gepubliceerd in 2021 in Natuur Nanotechnologieop wat zij ‘Fano-resonante optische coatings’ noemden.

Ugo Fano’s erfenis van licht

De nieuwe materialen zijn vernoemd naar Ugo Fano, een Italiaanse natuurkundige die in de jaren dertig samen met Enrico Fermi aan splijtingsexperimenten werkte.

Fano’s unieke inzichten betroffen iets dat ‘spectrale lijnvormen’ wordt genoemd, of de visualisatie van de energieverandering in een molecuul of zelfs een enkel atoom. Het team van Strangi is erin geslaagd deze Fano-lijnvormen – dus de energie – te manipuleren door afzonderlijke toestanden in het continuüm te begrenzen met behulp van dunnefilmfotonica.

Andere toepassingen voor het nieuwe onderzoek zijn gevarieerd. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van ‘structurele kleuring’ zouden de computerweergavetechnologieën verbeteren, de gegevensopslag vergroten, de maatregelen tegen namaak verbeteren en zelfs meer variaties in decor mogelijk maken, zei Strangi.