IT201800003899A1 - Processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare, e pellicole olografiche con esso direttamente ottenute - Google Patents

Processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare, e pellicole olografiche con esso direttamente ottenute Download PDF

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Description

Descrizione della
INVENZIONE INDUSTRIALE
dal Titolo:
PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UNA PELLICOLA OLOGRAFICA DI STRUTTURA NANOFONICA DI PARTICOLARE APPLICAZIONE NEI PANNELLI FOTOVOLTAICI, NEI PANNELLI TERMICO-SOLARI E NEI PANNELLI DI DIFFUSIONE DELLA LUCE SOLARE, E PELLICOLE OLOGRAFICHE CON ESSO DIRETTAMENTE OTTENUTE
SETTORE TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO
La presente invenzione ha per oggetto un processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica. di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare
STATO DELLA TECNICA
Attualmente per incrementare l’efficienza nei pannelli fotovoltaici si utilizzano tecnologie consolidate ma estremamente costose come i pannelli fotovoltaici a inseguimento assiale o biassiale, grandi lenti concentratrici che occupano ingombri e volumi e rendono l’impianto costoso nella costruzione e nella manutenzione. I ricercatori internazionali hanno elaborato nuovi materiali per diminuire i costi della materia prima come il silicio, sviluppando nuovi elementi di captazione come le celle organiche, le celle multi giunzione e i film fotovoltaici a strato sottile.
Oggi l’evoluzione delle celle fotovoltaiche è quella di ridurre lo spessore in modo da contenere i costi e arrivare ad avere un film sottile di superficie attiva a parità di resa delle celle fotovoltaiche tradizionali.
Tali ricerche ed esperienze sono in continua evoluzione.
Ricerche scientifiche internazionali si sono attivate nel cercare di utilizzare cristalli fotonici nel settore delle celle fotovoltaiche senza ancora ad arrivare a risultati validi.
Tra gli scopi della tecnologia a cristalli fotonici applicata alla realizzazione di pannelli del tipo sopra citato vi è anche quello di creare strutture sempre meno ingombranti e più efficienti per ridurre l’impatto ecologico sul pianeta.
SCOPO DELLA PRESENTE INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica, con reticoli a struttura di cristalli fotonici, di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare, di migliorate caratteristiche per quanto concerne le dimensioni d’ingombro delle relative apparecchiature, l’aumento della loro resa energetica e i rapporti di concentrazione della luce, utilizzando una tecnologia che prevede di intrappolare la luce solare mediante una struttura olografica incisa su una pellicola o membrana che abbia le caratteristiche del cristallo fotonico.
SOLUZIONE INVENTIVA
Il processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica secondo l’invenzione, è caratterizzato dal fatto che per il trasferimento delle nanoincisioni sul film utilizzato per la realizzazione della pellicola viene utilizzato un cliché recante nanoincisioni con reticoli a struttura di cristalli fotonici, ottenute tramite un circuito ottico comprendente principalmente una sorgente di luce laser e un modulatore spaziale di luce che riceve il fascio di raggi proveniente dalla sorgente laser e li indirizza sulla lastra fotosensibile utilizzata per la realizzazione del cliché.
Forme preferite di realizzazione sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti.
ELENCO DELLE FIGURE
Le caratteristiche, gli scopi e i vantaggi dell’invenzione risulteranno più evidenti dalla descrizione che segue relativa ad esempi di realizzazione di carattere non limitativo, facente riferimento ai disegni allegati le cui figure mostrano schematicamente:
La Fig.1: un esempio di circuito ottico utilizzato per la realizzazione di un cliché, secondo l’invenzione;
La Fig.2: una immagine ingrandita della struttura presente nel modulatore spaziale di luce dello stesso circuito;
La Fig.3: l'immagine a scacchiera con diversi livelli di grigio della stessa struttura;
La Fig.4: l’immagine a scacchiera con la zona difettata;
La Fig.5, 6, 7 : il disegno di altre immagini viste al microscopio.
DESCRIZIONE DEGLI ESEMPI DI REALIZZAZIONE
La Fig.1 mostra lo schema di un circuito ottico secondo l’invenzione, con i diversi componenti ottici, optoelettronici e meccanici, utilizzato per nanoincidere il cliché destinato a trasferire le nanoincisioni sulla pellicola olografica di struttura nanofonica.
Nello schema i contrassegni delle varie parti stanno a indicare:
“A”: un modulo laser,
“A1”: raggio laser in uscita da “A”,
”B”: una lente di espansione del raggio laser in uscita da A,
“D”: un modulatore spaziale di luce, denominato in inglese “Spatial Light Modulator”, chiamato anche qui di seguito “SLM”,
”C”: lente collimatrice del fascio laser che proietta il fascio luminoso sul modulatore spaziale di luce D,
”E”: lente che riduce l’immagine generata sul SLM a dimensioni nanometriche,
”F”: lastra fotosensibile ad altissima definizione,
”G”: sono i piani di traslazione per registrare punto per punto le immagini sequenziali con le informazioni nano fotoniche che generano i cristalli fotonici.
Il precedente esempio di circuito ottico secondo la presente invenzione prevede in particolare l'utilizzo dei seguenti componenti.
La base su cui si è costruito il circuito ottico è un tavolo in granito antivibrante, su cui sono stati collocati i diversi componenti ottici e optoelettronici.
Lo “SLM” è un particolare schermo LCD la cui area attiva è di 37x28 mm, del tipo holoeye prodotto da HOLOEYE PHOTONICS AG.
Il modulo LASER è una sorgente di luce coerente monocromatica con caratteristiche di coerenza spaziale e temporale che può emettere su frequenze idonee per incidere otticamente il materiale fotosensibile su cui effettuare la registrazione delle strutture nano fotoniche, ed è prodotto da diverse industrie internazionali tra le quali la COHERENT di Palo Alto Santa Clara-California.
Gli altri componenti ottici sono filtri polarizzatori , lenti di diversa focale atti a ridurre in forma infinitesimale le immagini visualizzate sul “SLM” proiettate sul materiale fotosensibile che registra le strutture nano fotoniche . Con la nuova tecnologia, qui di seguito chiamata anche “ litografia olografica”, è possibile realizzare un incremento esponenziale nella efficienza dei cristalli fotonici generati e di conseguenza, nelle sue applicazioni, un incremento energetico nelle strutture fotovoltaiche perché si introduce nelle strutture fotoniche un elemento in più, un”difetto”, nella struttura periodica del cristallo fotonico. Tale “difetto” è possibile realizzarlo mediante il modulatore SLM utilizzato nel realizzare il cliché che inciderà la pellicola olografica.
Infatti mediante la litografia olografica è possibile realizzare zone “difettose” nella struttura dei cristalli fotonici della pellicola olgrafica generando nel “modulatore spaziale di luce” sfasamenti della luce laser coerente che illumina il modulatore, il quale diffrange i raggi laser che lo attraversano per raggiungere il target di registrazione dell’ologramma, in modo che le registrazioni dell'ologramma riportano il contenuto del “difetto” con le informazioni correlate dello sfasamento.
Il reticolo olografico generato nella pellicola olografica, registra uno sfasamento nella struttura fotonica e crea linee di interferenza che producono una diversa efficienza di diffrazione rispetto alle linee di interferenza non “difettate”.
Nelle immagini registrate nel “modulatore spaziale di luce” vengono assegnati diversi valori di grigi per ogni pixel, diversi valori che costituiscono i “difetti funzionali” che assegnati alle diverse configurazioni delle immagini registrate nel modulatore. I fasci luminosi del laser che attraversano lo “SLM” non solo portano il contenuto del “difetto” , ma anche le informazioni della fase relativa al “difetto”. Tali “difetti” sono la chiave di volta della maggiore efficienza dei cristalli fotonici generati.
La configurazione dei cristalli fotonici viene progettata per ridurre la riflessione della luce solare incidente sulla superficie della cella e aumentare la luce che si diffonde nel materiale assorbente della cella.
La pellicola olografica a cristalli fotonici secondo l’invenzione è realizzata in materiale trasparente, ed esempio materiale poliestere, polimeri, membrane, nano strutture direttamente inglobate nella matrice di captazione fotosensibile e nelle sue connotazioni essenziali, è caratterizzata dal fatto di implementare al suo interno una o più trappole di luce a seconda se la sua struttura è monodimensionale, bidimensionale o tridimensionale. La struttura a cristalli fotonici delle dimensioni nanometriche, è atta a far convergere i raggi luminosi di una medesima lunghezza d’onda, da essa rifratti, in una direzione prefissata comune a tutti cristalli fotonici
Nella Fig.2 la figura (a) mostra una immagine ingrandita della struttura presente nel SLM. Il quadrato tratteggiato indica la dimensione di una cella elementare di 8x8 micron quadrati. La figura (b) è una immagine del disegno di diffrazione sul piano di Fourier visualizzata al microscopio, la figura mostra i cerchi che indicano i raggi che passano attraverso il filtro di Fourier. La figura (c) mostra lo schema d cinque raggi interferenziali posizionati simmetricamente quattro volte, mentre il quinto raggio si propaga lungo l’asse z. La figura (d) mostra la distribuzione della intensità dell’interferenza dei primi quattro raggi con il raggio centrale, di ordine zero. Le dimensioni sono riportate in scala di 8 micron.
Nella Fig.3 la figura (a) rappresenta l'immagine a scacchiera con livelli di grigio rispettivamente di 30 e 255 e indica il difetto con 255 livelli di grigio. Ogni quadrato chiaro o scuro nel disegno rappresenta un singolo pixel dello SLM). La figura (b) rappresenta un primo piano del tratto di linea con il “difetto”. Le frecce indicano la direzione dello sfasamento del reticolo dovuto allo spostamento di fase. Il quadrato tratteggiato rappresenta la cella elementare per il calcolo dei raggi interferenziali. La figura(c) rappresenta una immagine al microscopio della struttura fotonica registrata sulla lastra fotosensibile posizionata come target di registrazione .Le dimensioni sono riportate in scala di 8 micron.
Nella Fig.4 la figura (a) rappresenta l’immagine a scacchiera con la zona “difettata”. La figura (b) rappresenta l’ingrandimento della zona “difettata”, le frecce rappresentano il disegno dello spostamento del reticolo, determinato dallo sfasamento della zona “difettata”, il quadrato tratteggiato rappresenta la cella elementare per il calcolo delle fasi di sfasamento dei raggi incidenti. La figura (c) rappresenta le immagini ingrandite al microscopio della zona “difettata” incorporate nei cristalli fotonici, registrati nella lastra fotosensibile mediante la “litografia olografica”. Le dimensioni sono riportate in scala di 8 micron.
Nella Fig. 5 la figura (a) mostra il disegno della immagine visualizzata al microscopio, che mostra la diffrazione sul piano di Fourier. I cerchi indicano i raggi che passano attraverso il Filtro di Fourier. La figura (b) mostra l’interferenza del primo ordine di due raggi con il raggio centrale di ordine zero. La figura (c) mostra i 255 livelli di grigi dei punti bianchi. La figura (d) mostra i 30 livelli di grigio dei punti neri, e mostrano la fase “difettata”, le frecce a tratto spesso indicano la direzione dello sfasamento del reticolo in presenza del ”difetto” come mostrato nelle figure (e) e(f).
Il disegno delle immagini al microscopio generate nel reticolo a cristalli fotonici mostra rispettivamente la fase “difettata” nei disegni (c) e (d).
Nella Fig. 6 la figura (a) è il disegno dell’ingrandimento al microscopio della diagonale la cui fase è difettata, rispetto al disegno a scacchiera. La figura (c) mostra il disegno delle immagini al microscopio della struttura a cristalli fotonici incise sul materiale fotosensibile, mediante la sovrapposizione di due raggi del primo ordine con la regione centrale di ordine zero diffratta dall’immagine della fase della figura (a) visualizzata sul (SLM). La freccia indica la direzione di sfasamento, la linea tratteggiata indica la posizione dei reticoli in assenza di sfasamento.
Nella Fig.7 la figura (a) mostra il disegno dell’immagine al microscopio sul piano di Fourier. Le immagini vengono ruotate di 45 gradi per orientare il “difetto” lungo la direzione orizzontale. I raggi sono filtrati mediante una mascheratura. La figura (b) è un disegno di una immagine al microscopio della immagine visualizzata sul (SLM) e ridotta in dimensione nanometrica mediante il circuito ottico descritto in figura 1. Lo sfondo dell’immagine del SLM è costituito dai singoli pixel con 254 livelli di grigio e 158 sulla struttura del ”difetto” ,così i livelli di grigio sono diventati 224.
(c) è il disegno dell’immagine della figura dell’interferenza generata nel disegno (b),ma con un difetto in più.
VANTAGGI CONSEGUIBILI E POSSIBILITA’ APPLICATIVE DELL’IN-VENZIONE
La pellicola olografica secondo la presente invenzione risulta, a parità di resa delle celle fotovoltaiche tradizionali, di ridotto spessore così da consentire un contenimento dei costi delle apparecchiature in cui è impiegata. Essa aumenta l’efficienza nelle fonti energetiche ecocompatibili e minimizza mediante la sua applicazione sui pannelli fotovoltaici e termici, lo spazio e gli ingombri del suolo, mantenendo e aumentando la potenza di produzione energetica. Con essa è possibile realizzare moduli di conversione energetica con caratteristiche di alta efficienza riducendo in forma esponenziale l’ingombro. La combinazione della pellicola olografica a cristalli fotonici con la geometria volumetrica dei ricettori di trasformazione energetica (pannelli fotovoltaici, termici solari e altro) permette di creare strutture del tipo planare con ridotte dimensioni, lasciando inalterata la produzione d’energia e diminuendo fino al 50% l’ingombro e il volume Le nanoincisioni con reticoli a struttura di cristalli fotonici della pellicola permettono di intrappolare la luce solare quando vengono illuminati, facendo in modo che la cella fotovoltaica che si trova a intimo contatto con essa, riceva più energia.
La pellicola olografica può essere applicata su celle fotovoltaiche di qualsiasi natura organica e inorganica, su pannelli fotovoltaici, su pannelli termico solari, su fonti di illuminazione, su materiale rifrangente del tipo di quello utilizzato nella segnaletica stradale. La tecnologia dei cristalli fotonici consente infatti un elevato numero di opzioni nella guida dei raggi luminosi, prestazioni che spesso non sono altrimenti ottenibili. Inoltre la tecnologia dei cristalli fotonici fornisce al progettista ed al ricercatore la possibilità di svolgere e di coniugare contemporaneamente particolari numerose prestazioni in una infinità di combinazioni. Ciò è reso possibile dal fatto che i cristalli fotonici non solo sono in grado di svolgere compiti diversi e di compierli simultaneamente, ma, a seguito di specifica progettazione, i medesimi cristalli fotonici sono addirittura in grado di differenziare la loro azione, nella guida impressa ai raggi, selettivamente in base a delle loro caratteristiche quali ad esempio la loro direzione e/o la loro lunghezza d’onda.
Un altro aspetto fondamentale innovativo è che con l’applicazione della pellicola olografica a cristalli fotonici secondo la presente invenzione nel pannello fotovoltaico non esiste più la necessità di collocare i pannelli fotovoltaici con esposizione a Sud e con inclinazione dei moduli inclinati a inclinazione vincolata alla latitudine, ma si possono creare parchi fotovoltaici in qualsiasi condizioni e qualsiasi inclinazione, orizzontali, verticali, obliqui, su tetti orientati a Nord, Sud, Est, Ovest, perché si convogliano i raggi solari nel giusto verso.
Inoltre le soluzioni oggetto del presente brevetto consentono di guidare e/o concentrare i fasci luminosi della luce in percorsi e con rapporti di concentrazione di particolare utilità e interesse che non erano sinora consentiti dalla tecnica nota.

Claims (3)

  1. RIVENDICAZIONI della Domanda di brevetto dal titolo: “Processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica, di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare, e pellicole olografiche con esso direttamente ottenute”, 1. Processo di fabbricazione di una pellicola olografica di struttura nanofonica di particolare applicazione nei pannelli fotovoltaici, nei pannelli termico-solari e nei pannelli di diffusione della luce solare, caratterizzato dal fatto che per il trasferimento delle nanoincisioni sul film utilizzato per la realizzazione della pellicola viene utilizzato un cliché recante nanoincisioni con reticoli a struttura di cristalli fotonici, ottenute tramite un circuito ottico comprendente principalmente una sorgente di luce laser (A) e un modulatore spaziale di luce (D) che riceve il fascio di raggi proveniente dalla sorgente laser e li indirizza sulla lastra fotosensibile (F) utilizzata per la realizzazione del cliché.
  2. 2. Processo come alla Riv.1 caratterizzato dal fatto che fra la sorgente laser (A) e il modulatore spaziale (D) sono interposti una lente (B) di espansione del raggio laser in uscita da dalla sorgente di luce laser (A) e in successione una lente (C) collimatrice del raggio laser che proietta il fascio luminoso sul modulatore spaziale di luce (D).
  3. 3. Processo come alla Riv.2 caratterizzato dal fatto che fra il modulatore spaziale (D) e a lastra fotosensibile (F) e interposta una lente (E) che riduce l'immagine generata sul SLM a dimensioni nanometriche.
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EP1515166A2 (en) * 1996-10-28 2005-03-16 Pacific Holographics, Inc Apparatus and method for generating diffractive element using liquid crystal display

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