Egyetlen, mesterséges intelligencia által optimalizált nanoszerkezeti réteg – úgynevezett metafelület – rekordalacsony, mindössze 4,4 %-os fényvisszaverést ért el a szilícium napelemek teljes, 500–1200 nm‑es spektrumában. A tudósok szerint ez az áttörés nemcsak a napenergia‑termelés hatékonyságát növelheti drasztikusan, hanem új korszakot nyithat a fotonikus bevonatok tervezésében is.

Miért veszik el a napfény fele a szilícium‑felületen?

A ma gyártott kristályos szilícium napelemek legnagyobb ellenfele maga a fizika: a szilícium‑levegő határfelület nagy törésmutató‑különbsége miatt a beeső fény jelentős része – laboradatok szerint akár 30–50 % – visszapattan, mielőtt elektront kelthetne. A klasszikus eljárás e veszteség csökkentésére többrétegű, a gond csak az, hogy a Nap nem válogat: a spektrum széles, a beesési szög pedig a napszaktól függően változik, így a többrétegű megoldás sosem tud minden körülményt lefedni, írja az Interesting Engineering.

A metafelületek sokoldalúsága miatt a kutatók szerint a módszer messze túlnő a napenergián. (Kép forrása: Unsplash)

Forradalmi újítás az AI segítségével

Az SPIE – International Society for Optics and Photonics – friss tanulmánya egészen más úton jár. A kutatók polikristályos szilíciumból metafelületet készítettek: a fény hullámhosszánál kisebb, gondosan elrendezett „nanosapkák” és árkok mintázatát maratták bele egyetlen ultravékony rétegbe. Ezek a szerkezetek úgy viselkednek, mint egy háromdimenziós illesztőháló: eloszlatják a beérkező fotonok energiáját, és bevezetik azt a szilícium tömbjébe anélkül, hogy út közben visszapattanna.

A trükk azonban nem csupán a geometriában, hanem a tervezési módszerben rejlik. A kutatók előbb előre tervezési algoritmussal gyorsan feltérképezték a jól ismert rács‑ és lyukmintákat, majd inverz tervezéssel – gyakorlatilag hagyva, hogy a mesterséges intelligencia maga „álmodja meg” az optimális formát – új, szabad alakú nanosapkákra találtak.

E kettős stratégia eredménye az eddigi legjobb, egyrétegű antireflexiós bevonat: normál beeséskor 2 %, 60°‑os szögben csupán 4,4 % fény veszteséggel. Ez rekord mind az elnyomott reflexió, mind a működési sávszélesség és szögtartomány tekintetében.

Mekkora hatásfok‑ugrást hozhat?

A laboradatok szerint a metafelülettel bevont cellák fotogenerált árama 6–8 %-kal nőtt a referencia‑panelekhez képest. Ez első látásra szerénynek tűnhet, ám egy 22 %-os konverziós hatásfokú modern szilícium napelemet 24 % fölé ugrani látni – mindössze egy plusz maratási lépéssel – iparági szinten óriási lépés. Ráadásul a réteg nem igényel több különböző anyagot, sem vákuumos, többlépcsős gőzölést: ugyanazzal a szilícium‑technológiával kivitelezhető, amellyel magát a cellát gyártják.

Túl a napelemeken: fotonikus svájcibicska

A metafelületek sokoldalúsága miatt a kutatók szerint a módszer messze túlnő a napenergián. Lidar‑szenzorok, kamerák, lézerek, kvantumoptikai eszközök mind profitálhatnak abból, hogy egyetlen, szabható peremvastagságú réteggel drasztikusan csökkenthető a nem kívánt reflexió.

A publikáció kiemeli: az inverz tervezésű nanosapkák üvegre vagy más alacsony törésmutatójú hordozóra gőzölve is hatékonyak, így AR‑/VR‑kijelzőkben, fejlett érzékelőkben, sőt orvosi képalkotó rendszerekben is alkalmazhatók lesznek.

Az intelligens metafelület nem pusztán jobb antireflexiós bevonat: új tervezési filozófiát képvisel. A hagyományos „anyag + anyag” szemlélet helyett a fényt a nanoszkópikus térben formáló struktúrákkal irányítja, így egyszerre csökkenti a költséget és növeli a teljesítményt.

Ha a laboreredmények ipari méretekben is igazolódnak, a szilícium napelemek hatásfoka éveken belül átlépheti a 25 %-os álomhatárt – miközben az optikai ipar is új, multifunkciós bevonatok teljes arzenálját kapja kézhez. A Nap ugyanaz marad, de mi egyre ügyesebben fogjuk be a sugarait.

Kiemelt kép forrása: Pixabay