Óptica de índice graduado por imersão: teoria, design e protótipos

Microsystems & Nanoengineering volume 8, Número do artigo: 69 (2022) Cite este artigo

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A óptica de imersão permite a criação de sistemas com concentração e acoplamento óptico aprimorados, aproveitando o fato de que a luminância da luz é proporcional ao quadrado do índice de refração em um sistema óptico sem perdas. Os concentradores ópticos de índice graduado por imersão, que não precisam rastrear a fonte, são descritos em termos de teoria, simulações e experimentos. Apresentamos uma equação de guia de projeto generalizada que segue a função de Pareto e pode ser usada para criar vários índices óticos de imersão, dependendo dos requisitos de concentração, índice de refração, altura e eficiência da aplicação. Apresentamos técnicas de fabricação de vidro e polímero para criar materiais de índice graduado transparentes de banda larga com grandes faixas de índice de refração, (relação de índice de refração)2 de ~2, indo muito além do que é visto na natureza ou na indústria óptica. Os protótipos demonstram concentração óptica 3x com mais de 90% de eficiência. Relatamos por meio de protótipos funcionais que os concentradores de lentes de índice graduado funcionam perto do limite máximo teórico e apresentamos técnicas de fabricação simples, baratas, flexíveis e escaláveis ​​para sua implementação.

Aproveitar a abundante energia solar que chega à Terra por meio da energia fotovoltaica desempenhará um papel importante na satisfação de nossas necessidades futuras de energia de maneira sustentável. Uma abordagem promissora é a fotovoltaica concentrada1, e várias maneiras de obter concentração estão sendo usadas no campo2,3- Lentes de Fresnel4,5, espelhos6,7, concentradores parabólicos8,9, óptica secundária de alto índice10, guias de onda11,12,13, lentes de imersão14 , nanotexturização de superfície15. A maioria deles requer rastreamento ativo do Sol, pois precisam enfrentar a fonte de luz dentro de alguns graus. Alguns dos acima são concentradores passivos, ou seja, não precisam rastrear o Sol, no entanto, eles ainda oferecem ângulos de aceitação modestos que não abrangem os 2π esterradianos disponíveis. Apresentamos um dispositivo concentrador passivo, AGILE (Axially Graded Index LEns)16. Doravante, este concentrador óptico de índice graduado por imersão é escrito como AGILE no manuscrito. O AGILE não precisa de rastreamento solar e segue o limite máximo de projeção do cosseno, concentrando a luz incidente sobre ele de todos os ângulos.

O AGILE permite sistemas de concentração não apontadores (isto é, removendo a necessidade de rastrear o Sol) que reduzem a quantidade de material fotovoltaico (PV) necessário, mas também absorvem eficientemente a luz difusa. A dispersão da luz está presente devido à cobertura de nuvens e à atmosfera; e a luz difusa pode chegar a 20%, mesmo em um dia ensolarado17. A Figura 1a mostra como a luz é concentrada no concentrador AGILE. Os raios de luz incidentes de todos os 2π esterradianos entram na abertura maior com índice de refração (RI) de 1, curvam-se em direção ao normal via refração ao longo da altura do cone no gradiente axial RI, refletem nas paredes laterais e atingem a abertura de saída menor com alto RI, por exemplo, silício com RI ~ 3,5, sem necessidade de rastrear a fonte de luz. A Figura 1c retrata o sistema AGILE concentrador array, composto pela unidade repetida mostrada na Fig. 1b, que absorve toda a luz incidente e, portanto, aparece escuro. O videoclipe do sistema AGILE array está anexado no material suplementar. Neste vídeo, o AGILE não possui paredes laterais reflexivas metálicas para que o material do índice graduado possa ser visualizado. O AGILE permite antirreflexo e acoplamento quase perfeitos, encapsulamento, espaço para circuitos e resfriamento e design conforme. Essa óptica de índice graduado por imersão também pode realizar aplicações em áreas como gerenciamento de luz em iluminação de estado sólido, acopladores de laser, tecnologia de exibição etc.

a Representação da ação de concentração óptica, b unidade de repetição de AGILE, c matrizes de concentradores com anti-reflexo e encapsulamento integrados, sem necessidade de rastrear a fonte e células PV separadas espacialmente que têm vantagens de uso reduzido de material PV, portanto, menor custo com espaço para refrigeração e circuitos.