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Antireflexbeschichtung macht Kunststoff unsichtbar

31.01.2019

Giebink Lab/Penn State

Kunststoffkappe mit neuer Antireflexbeschichtung (rechts) und unbeschichteter Abdeckung (links).

Antireflexbeschichtungen (AR) auf Kunststoffen haben eine Vielzahl von praktischen Anwendungen, darunter die Reduzierung der Blendung von Brillen, Computermonitoren und dem Display auf Ihrem Smartphone im Außenbereich. Jetzt haben Forscher von Penn State eine AR-Beschichtung entwickelt, die bestehende Beschichtungen so weit verbessert, dass sie transparente Kunststoffe wie Plexiglas nahezu unsichtbar macht.

"Diese Entdeckung kam zustande, als wir versuchten, hocheffiziente Solarmodule herzustellen", sagte Chris Giebink, Associate Professor of Electrical Engineering, Penn State. "Unser Ansatz bestand darin, das Licht auf kleine, hocheffiziente Solarzellen mit Kunststofflinsen zu konzentrieren, und wir mussten deren Reflexionsverlust minimieren."

Sie benötigten eine Antireflexionsschicht, die über das gesamte Sonnenspektrum und in mehreren Winkeln funktionierte, als die Sonne den Himmel überquerte. Sie brauchten auch eine Beschichtung, die der Witterung über lange Zeiträume im Freien standhalten konnte.

"Wir hätten gerne eine Standardlösung gefunden, aber es gab keine, die unseren Leistungsanforderungen entsprach", sagte er. "Also haben wir angefangen, nach einer eigenen Lösung zu suchen."

Das war ein großer Auftrag. Obwohl es vergleichsweise einfach ist, eine Beschichtung herzustellen, die die Reflexion bei einer bestimmten Wellenlänge oder in eine bestimmte Richtung eliminiert, gab es keine, die alle ihre Kriterien erfüllen könnte. So sind beispielsweise Brillen-AR-Beschichtungen auf den engen sichtbaren Bereich des Spektrums ausgerichtet. Das Sonnenspektrum ist jedoch etwa fünfmal so breit wie das sichtbare Spektrum, so dass eine solche Beschichtung für ein konzentriertes Solarzellensystem nicht gut geeignet wäre.

Reflexionen entstehen, wenn Licht von einem Medium, wie beispielsweise Luft, in ein zweites Medium, in diesem Fall Kunststoff, gelangt. Wenn der Unterschied in ihrem Brechungsindex, der angibt, wie schnell sich das Licht in einem bestimmten Material bewegt, groß ist - Luft hat einen Brechungsindex von 1 und Kunststoff 1,5 - dann wird es viel Reflexion geben. Der niedrigste Index für ein natürliches Beschichtungsmaterial wie Magnesiumfluorid oder Teflon liegt bei etwa 1,3. Der Brechungsindex kann durch Mischen verschiedener Materialien zwischen 1,3 und 1,5 abgestuft werden, aber der Abstand zwischen 1,3 und 1 bleibt erhalten.

Giebink und Co-Autoren beschreiben ein neues Verfahren, um die Lücke zwischen Teflon und Luft zu schließen. Sie benutzten ein Opfermolekül, um nanoskalige Poren in verdunstetem Teflon zu erzeugen, wodurch eine Teflon-Luftfolie mit abgestuftem Index entstand, die das Licht dazu bringt, einen glatten Übergang von 1 zu 1,5 zu sehen, wodurch im Wesentlichen alle Reflexionen beseitigt werden.

"Das Interessante an Teflon, das ein Polymer ist, ist, dass, wenn man es in einem Tiegel erwärmt, die großen Polymerketten in kleinere Fragmente zerfallen, die klein genug sind, um sich zu verflüchtigen und einen Dampfstrom zu erzeugen. Wenn diese auf einem Substrat landen, können sie repolymerisieren und Teflon bilden", sagte Giebink.

Wenn die Opfermoleküle dem Fluss hinzugefügt werden, reformiert sich das Teflon um die Moleküle herum. Das Auflösen der Opfermoleküle hinterlässt einen nanoporösen Film, der durch Hinzufügen weiterer Poren abgestuft werden kann.

"Wir haben mit einer Reihe von Unternehmen zusammengearbeitet, die nach verbesserten Antireflexbeschichtungen für Kunststoffe suchen, und einige der Anwendungen waren überraschend", sagte er. "Sie reichen von der Beseitigung von Blendung durch die Kunststoffkuppeln, die Sicherheitskameras schützen, bis hin zur Beseitigung von Streureflexionen in virtuellen/ergänzenden Headsets."

Eine unerwartete Anwendung ist in hochgelegenen UAVs oder unbemannten Luftfahrzeugen. Das sind Flugzeuge mit riesigen Spannweiten, die mit Solarzellen beschichtet sind. Diese Flugzeuge, die hauptsächlich zur Aufklärung eingesetzt werden, sind auf Sonnenlicht angewiesen, um im ewigen Flug zu bleiben, so dass ein Großteil des Lichts, das sie empfangen, in einem Blickwinkel steht, in dem die Reflexionen am größten sind. Eines der Unternehmen, das diese Solarzellen herstellt, untersucht die AR-Beschichtung, um zu sehen, ob sie die von einem UAV gewonnene Lichtmenge verbessern kann.

Da die Technologie mit den aktuellen Fertigungstechniken kompatibel ist, glaubt Giebink, dass die Beschichtungstechnologie skalierbar und breit einsetzbar ist. An diesem Punkt haben seine Testproben dem zentralen Wetter in Pennsylvania zwei Jahre lang standgehalten, mit wenig Veränderung der Eigenschaften. Darüber hinaus ist die Beschichtung auch beschlagfrei.

"Die Beschichtung haftet gut auf verschiedenen Kunststoffarten, aber nicht auf Glas", sagte er. "Es wird also für Ihr typisches Dachsolarmodul mit einer schützenden Glasabdeckung nicht nützlich sein. Aber wenn die konzentrierende Photovoltaik ein Comeback erlebt, ist ein kritischer Teil davon die Kunststoff-Fresnellinse, und wir könnten dort einen Unterschied machen."

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