Экономичные кластеры наноконов PDMS для ультра-низкого отражения солнечных элементов и супергидрофобной самоочистки

Аннотация

Трехмерные наноструктуры широко применяются для усиления фотонного поглощения в фотоэлектрических приборах, однако их фабрикация часто влечет высокую стоимость и сложность. Здесь мы представляем простой шаблонный метод создания новой микроструктуры кластеров наноконов на подложке полидиметилсилоксана (PDMS). Полученная поверхность обеспечивает исключительную антирефлексию, поддерживая отражательность ниже 3,5% во всем видимом спектре, и достигает замечательного угла смачивания воды 151°, подтверждая свою супергидрофобность и способность к самоочистке. Эти комбинированные оптические и смачивающие преимущества делают кластер наноконов перспективным низкозатратным высокопроизводительным дополнением для солнечных элементов следующего поколения.

Введение

Солнечная фотоэлектрика центральна для перехода к возобновляемой энергии, но ее эффективность часто ограничена неоптимальным поглощением света и загрязнением поверхности. Антирефлексивные (AR) покрытия снижают потери отражения путем манипулирования градиентом рефрактивного индекса на поверхности прибора [2,3]. Микро- и наноструктурированные AR слои — такие как нанодырки, нанопровода, наночастицы и наноконы — изучались обширно [4–12]. Одновременно супергидрофобность критична для поддержания производительности прибора, так как накопление пыли может снижать эффективность до 50% в год [4,13]. Гидрофобная поверхность, способная к самоочистке, экономично удаляет загрязнители [14]. Однако интеграция одновременно высокоэффективного AR и надежной супергидрофобности в одной гибкой пленке остается вызовом, потому что шероховатость, способствующая смачиванию, часто вносит рассеивающие потери.

Предыдущая работа демонстрировала AR и супергидрофобные наноструктуры на жестких подложках (например, кварце) с использованием реактивно-ионной травки (RIE) [14], или достигла превосходной гидрофобности с ограниченной AR производительностью в длинноволновом режиме [16]. Существует явная потребность в экологически чистом, гибком и низкозатратном подходе, дающем обе функции. В этом исследовании мы сообщаем о PDMS-основанном кластере наноконов, изготовленном простым шаблонным процессом, удовлетворяющем этим критериям.

Методы

Подготовка микроструктур кластеров наноконов

Мы использовали шаблоны анодизированного оксида алюминия (АОО), произведенные многошаговой анодизацией и мокрым травлением, для определения геометрии наноконов. Были изготовлены три шаблона с соотношениями сторон (AR = высота/шаг) 1, 2 и 3, соответствующими высотам 450 нм, 900 нм и 1350 нм при постоянном шаге 450 нм. Меньшие шаги способствуют агрегации при отверждении, давая желаемую кластерную морфологию.

После очистки АОО ацетоном, этанолом и дистиллированной водой, антиприлипающий слой (GL-AAC, GermanLitho) наносили центрифугированием. PDMS (GL-ML CURE/GL-ML BASE, соотношение 10:1) лили на шаблон, дегазировали в вакуумной камере и отверждали при 75 °C в течение 4 ч (Рис. 1б,в). После охлаждения PDMS пленку отделяли от шаблона, получая 0,3 мм толщиной пленку, демонстрирующую наклонные, агрегирующиеся наноконы — формирующие кластерную микроструктуру — из-за минимизации поверхностной энергии при сушке (Рис. 1е).

а–е Схематичный процесс фабрикации микроструктур кластеров наноконов

Характеризация

Поверхностную морфологию изучали сканирующей электронной микроскопией (SEM, FEI NanoSEM650). Гидрофобность kvantифицировали тестером угла смачивания воды JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus). Оптическую производительность измеряли на спектрофотометре Varian Cary5E в диапазоне 400–1100 нм.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 иллюстрирует стадии фабрикации, подтверждая вертикальную ориентацию наноконов до агрегации. Механизм агрегации следует фрактальной перколяции и броуновскому движению, где отдельные конусы коалесцируют в кластеры для снижения поверхностной энергии [22].

SEM изображения а V-образного АОО шаблона и б–в PDMS наноконов с соотношениями сторон 1, 2 и 3

Шаблон с соотношением сторон 2 произвел кластеры из 6–8 конусов (~950 нм диаметр, 650 нм высота), в то время как шаблон с соотношением сторон 3 дал более крупные кластеры (>10 конусов). Агрегация обусловлена увеличением углов боковых стенок по мере роста высоты, побуждая соседние конусы наклоняться друг к другу.

Оптические измерения (Рис. 3) показывают, что паттернированная пленка превосходит плоскую PDMS по всему видимому спектру. Кластеры с соотношением сторон 2 достигают отражательности ниже 3,5% от 400 до 1100 нм, тогда как соотношения сторон 1 и 3 показывают <5% и <4,5% отражательности соответственно. Градиент рефрактивного индекса, создаваемый кластерами, эффективно подавляет фронтальное отражение [23,24]. Пропускание также выше для пленки с соотношением сторон 2 на длинных длинах волн, благодаря более гладкому градиенту индекса, балансирующему рассеивание и прохождение.

Измерения отражательности и пропускания PDMS пленок с и без микроструктур кластеров наноконов

Тесты смачивания (Рис. 4) показывают, что плоская PDMS умеренно гидрофобна (105°). Введение наноструктур увеличивает угол смачивания, пикуя при 151° для кластеров соотношения сторон 2, удовлетворяя порог 150° для супергидрофобности. Агрегированные кластеры превосходят изолированные конусы, так как они задерживают больше воздуха (f₂ = 0,831) и уменьшают долю твердого контакта (f₁ = 0,169) по модели Cassie [20,26–28]. Результирующий эффект самоочистки очевиден на Рис. 5, где капли скатываются чисто, поднимая частицы пыли.

Углы смачивания воды PDMS пленок с разными соотношениями сторон

Водяные капли на большой поверхности супергидрофобной PDMS пленки

Эти результаты подтверждают, что агрегированные кластеры наноконов обеспечивают превосходную оптическую и смачивающую производительность по сравнению с изолированными наноконами. Хотя перенос на жесткие подложки (кремний, сапфир) в настоящее время ограничен стабильностью кластеров, прогресс в наноимпринте и электронно-лучевой литографии может позволить более широкое применение.

Заключение

Мы продемонстрировали легкий шаблонный метод фабрикации кластеров наноконов PDMS, который одновременно дает суб-3,5% отражательность по видимому диапазону и угол смачивания воды 151°. Эти двойные атрибуты — ультра-низкие оптические потери и супергидрофобная самоочистка — позиционируют кластер наноконов как экономичное гибкое покрытие для высокоэффективных фотоэлектрических и оптоэлектронных приборов [29].

Аббревиатуры

3D

Трехмерный

AAO

Анодизированный оксид алюминия

AR

Соотношение сторон

CA

Угол смачивания

PDMS

Полидиметилсилоксан

SEM

Сканирующая электронная микроскопия