Eine neuartige Nanocone-Cluster-Mikrostruktur mit Antireflexions- und superhydrophoben Eigenschaften für Photovoltaikanlagen

Einführung

Photovoltaikanlagen sind vielversprechende Kandidaten für erneuerbare und nachhaltige Solarenergie [1]. Ein niedriger Lichtabsorptionskoeffizient und eine geringe Effizienz des Geräts schränken seine Entwicklung jedoch stark ein. Antireflexionsfilm (AR) [2, 3], der Lichtmanagementstrategien nutzt, um die Reflexion innerhalb einer relativ dünnen Schicht aktiver Materialien zu reduzieren, wird als effektiver Weg für photovoltaische Geräte angesehen [4, 5]. AR-Eigenschaften können durch das Einbringen von Mikro-/Nanostrukturen auf Flachfolien erreicht werden [4]. Bisher wurde über eine Vielzahl von Antireflexionsstrukturen berichtet, wie Nanolöcher [6,7,8], Nanodrähte [9], Nanopartikel [10] und Nanokegel [11, 12].

Die superhydrophobe Eigenschaft ist ein weiterer wichtiger Bestandteil zur Bestimmung der Effizienz von photovoltaischen Geräten. Dem Bericht zufolge könnte der Wirkungsgrad von Solarzellen durch Staubansammlung jedes Jahr um 50 % sinken [4, 13]. Daher ist es sehr wünschenswert, ein Verfahren vorzuschlagen, um die Oberfläche von photovoltaischen Geräten ungefärbt zu halten [4]. Die superhydrophobe Oberfläche besitzt eine gute Selbstreinigungseigenschaft, die verwendet werden kann, um unerwünschte Verunreinigungen auf einfache Weise von der Oberfläche von Photovoltaikgeräten zu entfernen [14], eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Lösung des oben genannten Problems.

Es ist jedoch schwierig, gleichzeitig einen nanostrukturierten Film mit sowohl Antireflexionseigenschaften als auch superhydrophoben Eigenschaften zu entwickeln. Da die typische superhydrophobe Eigenschaft normalerweise auf einer rauen Oberfläche erreicht wird. Währenddessen leiden raue strukturierte Oberflächen oft unter starken Streu- oder Beugungseffekten, was zu großen Lichtverlusten führt [4, 15]. Daher wird selten über Forschungen zu multifunktionalen Filmen mit superhydrophoben und Antireflexionseigenschaften berichtet. Im Jahr 2012 haben Kyu Back Lee et al. [14] stellten Nanostrukturen mit einer RIE-Methode auf Quarzoberflächen mit Selbstreinigungsfähigkeit und Antireflexionsvermögen her. Hier verwendeten sie Quarz als Substrat, das nicht flexibel war und auch die Kosten für den RIE-Prozess sehr hoch waren. 2017 haben Fan et al. [16] präsentierten einen Antireflexionsfilm mit Nanokonus-Array mit überlegener Superhydrophobie, aber das Reflexionsvermögen bei langen Wellenlängen war nicht zufriedenstellend. Daher ist es unerlässlich, umweltfreundliche und einfache flexible Nanostrukturfolien mit Antireflexions- und superhydrophoben Eigenschaften zu entwickeln [4].

In diesem Artikel demonstrierten wir eine neue Art von Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur, die auf einem PDMS-Substrat unter Verwendung eines einfachen Templatprozesses hergestellt wurde. Diese neuartige Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur kann die Lichtdurchlässigkeit erheblich verbessern und das Lichtreflexionsvermögen reduzieren, was in photovoltaischen Geräten zur Verbesserung der Effizienz verwendet werden kann. Inzwischen besitzt es überlegene superhydrophobe Eigenschaften mit einem Wasserkontaktwinkel (CA) von 151°. Diese einzigartige Eigenschaft führt zu einer Selbstreinigungsfunktion und einer wasserabweisenden Eigenschaft [16]. Darüber hinaus ist PDMS ein umweltfreundliches, flexibles und hochtransparentes Material, das auch zur Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit beiträgt [4, 17].

Methoden

Vorbereitung von Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen

Anodisiertes Aluminiumoxid (AAO)-Templat kann durch mehrstufiges Anodisieren unter Verwendung einer sauren Lösung und geeigneter Gleichspannung, gefolgt von einem Nassätzprozess, erhalten werden [11, 16, 18, 19]. Hier haben wir drei Template mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen (AR, definiert durch die Höhe der Nanokegel über der Periodizität) von 1, 2 und 3 verwendet, um den Einfluss der Nanokegelgröße auf seine Leistung zu untersuchen. Der Abstand der Schablonen betrug 450 nm, und die Höhe betrug 450 nm, 900 nm und 1350 nm entsprechend dem Seitenverhältnis von 1, 2 und 3. Der kleine Abstand der Schablone war für die Vorbereitung der Clusterstruktur von Vorteil, da ein kleinerer Pitch führt zu einem größeren Seitenverhältnis. Die Struktur mit größerem Seitenverhältnis besitzt normalerweise eine enorme Systemenergie. Um die Stabilität der Struktur zu erhalten, wird ein Teil der Systemenergie während des Aushärteprozesses freigesetzt [20]. Somit war der einzelne Nanokonus nach dem Trocknen leichter zu neigen und zu aggregieren, um Nanokonus-Cluster-Mikrostrukturen zu bilden. Die AAO-Vorlage wurde mit Aceton, Ethanol und destilliertem Wasser gereinigt, gefolgt von einer Schleuderbeschichtung mit Antihaftmittel (GL-AAC, GermanLitho). Dann wurde die PDMS-Lösung (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, Verhältnis 10:1) auf die V-förmige Schablone tropfengegossen und die Probe in ein Vakuumgefäß gepumpt, um Luftblasen im PDMS-Lösungsmittel zu entfernen , gefolgt von einem Aushärtungsprozess bei 75 °C für 4 h, wie in Abb. 1b, c gezeigt [16]. Schließlich wurden PDMS-Nanocone-Filme mit einer Dicke von 0,3 mm direkt von der V-förmigen AAO-Vorlage abgezogen, wenn die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Da der Abstand zwischen den einzelnen Kegeln sehr klein und die Höhe sehr hoch ist, werden die Nanokegel in dem Moment, in dem der PDMS-Film vom Templat abgezogen wird, zur Seite geneigt, was dazu führt, dass sich 6–8 Kegel zusammenschließen und Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen bilden nach dem Trocknen (Abb. 2c).

a –e Der schematische Herstellungsprozess von Nanokonus-Cluster-Mikrostrukturen

REM-Bilder von a V-förmige AAO-Vorlage und b –d PDMS-Nanokegel mit Seitenverhältnissen von 1, 2 und 3

Charakterisierungen

Die morphologische Analyse der so hergestellten Produkte wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA) charakterisiert [21]. Die hydrophobe Leistung der Produkte wurde mit einem Wasserkontaktwinkeltester JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus Co., Ltd., Shanghai, China) gemessen. Die optische Eigenschaft wurde mit einem Varian Cary5E-Spektrophotometer im Bereich von 400–1100 nm gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Herstellungsverfahren der Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur. Als Vorlage wurde V-förmiges AAO verwendet. Das Antihaftmittel (GL-AAC, GermanLitho) wurde auf die AAO-Schablone schleuderbeschichtet, um die folgenden Verfahren einfacher zu machen. Dann wurde die PDMS-Lösung (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, Verhältnis 10:1) auf die V-förmige Schablone tropfengegossen, gefolgt von einem Entgasungsprozess und dann bei 75 °C für 4 h gehärtet, wie gezeigt in Abb. 1b, c. Der PDMS-Film wurde nach dem Abkühlen der Probe auf Raumtemperatur von der V-förmigen AAO-Schablone abgezogen. Es wurde angenommen, dass die Struktur vertikal ist, genau wie in Abb. 1d gezeigt. Da jedoch der Abstand zwischen den einzelnen Kegeln sehr klein und die Höhe sehr groß ist, werden die Nanokegel zur Seite geneigt und aggregieren, um die Oberflächenenergie zu reduzieren, wodurch die Nanokegel-Cluster-Mikrostruktur gebildet wird (Abb. 1e). Die Aggregation von Nanokegeln könnte anhand von zwei Prozessen beschrieben werden:fraktale Perkolation und allgemeine Brownsche Bewegung. Anfangs bewegten sich alle an PDMS-Lösungen beteiligten Partikel chaotisch in fraktaler Brownscher Bewegung über die Gitterpunkte. Wenn sich zwei Teilchen trafen, bildeten sie stabile Dubletts, verloren ihre Mobilität und wurden zum Kern der Aggregate. Wenn wandernde Partikel sich Zellen neben Aggregaten näherten, wurden sie eingefangen und wurden zu Elementen des Aggregats. So wurden immer mehr freie Partikel zu einem Aggregat gebunden und bildeten eine Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur [22].

Abbildung 2 zeigt die SEM-Bilder des V-förmigen AAO-Templats und der PDMS-Nanokonen mit den Seitenverhältnissen 1, 2 und 3 nach dem Templatprozess. Abbildung 2a und der Einschub zeigen die Draufsicht und die Querschnittsansicht der Schablone mit der Steigung und Höhe von 450 nm bzw. 900 nm. Abbildung 2b–d zeigt das SEM-Bild von Nanokonus-Mikrostrukturen mit Seitenverhältnissen von 1, 2 und 3. Aus den Bildern können wir entnehmen, dass die Morphologie nach dem Templatprozess mit Templat des Seitenverhältnisses 1 immer noch separate Nanokonus-Mikrostrukturen war. Abbildung 2c, d zeigt das Bild der Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen mit Aspektverhältnissen von 2 und 3 Templaten. Die Nanocone-Cluster-Mikrostruktur besteht aus mehreren Nanocones, die eine Cluster-Struktur mit guter Hydrophobie und Antireflexion bilden. Es ist zu erkennen, dass sich etwa 6–8 einzelne Nanokegel zu Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen mit einem Durchmesser von 950 nm und einer Höhe von 650 nm zusammenschließen, wie in Abb. 2c gezeigt. Während die in Fig. 2d gebildeten Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen aus über 10 separaten Nanokegeln bestehen. Die in Abb. 2c, d erhaltenen Ergebnisse können wie folgt erklärt werden:Die Morphologie der PDMS-Struktur hängt mit der Höhe und der Steigung der Struktur zusammen. Am Anfang war der Winkel zwischen Struktur und Substrat (wir nennen ihn Seitenwandwinkel [20]) vertikal. Mit zunehmender Höhe der Struktur nahm auch der Seitenwandwinkel der Struktur zu, da die Nanokegel weit vom Ursprung der Struktur leichter geneigt wurden [20]. Und wegen des kleinen Abstands der Struktur beginnen die geneigten Nanokegel, sich zu aggregieren, um Nanokegel-Cluster-Mikrostrukturen zu bilden.

Um die optischen Eigenschaften des gemusterten Films zu untersuchen, wurden optische Reflexions- und Transmissionsspektren bei senkrechtem Einfall gemessen und ein flacher PDMS-Film wurde ebenfalls als Referenz getestet, wie in Abb. 3 gezeigt. Anscheinend war das Reflexionsvermögen des gemusterten Films deutlich reduziert im Vergleich zur flachen PDMS-Folie in einem breiten Wellenlängenbereich. Proben mit einem Nanokonus-Seitenverhältnis von 2 weisen eine hervorragende Antireflexionsleistung mit einem Reflexionsvermögen von unter 3,5 % in einem Wellenlängenbereich von 400–1100 nm [4] auf, während das Reflexionsvermögen bei einem Nanokonus-Seitenverhältnis von 1 und 3 . unter 5 und 4,5 % bleibt , bzw. Das geringe Reflexionsvermögen des gemusterten Films wird durch die allmähliche Änderung des Brechungsindex zwischen der Luft- und PDMS-Oberfläche verursacht, die durch die Nanokonus-Cluster-Mikrostrukturen erhalten wird [23, 24]. Dies ist auch der Beweis dafür, dass die Mikrostruktur der aggregierten Nanokegel-Cluster eine bessere Leistung bei der Reduzierung der Reflexion aufweist als getrennte Nanokegel.

Reflexions- und Transmissionsmessungen der PDMS-Filme mit und ohne Nanocone-Cluster-Mikrostrukturen

Abbildung 3 zeigt auch die Transmission von PDMS-Filmen mit und ohne Nanostrukturen, gemessen als Funktion der Wellenlänge. Aus Abb. 3 können wir entnehmen, dass die Oberflächenreflexion des PDMS-Films mit Nanokonus-Cluster-Mikrostrukturen im Vergleich zu den flachen PDMS-Filmen höhere Transmissionswerte im langen Wellenlängenbereich beibehält. PDMS-Filme mit einem Seitenverhältnis von 2 zeigen die beste Lichtdurchlässigkeit im langen Wellenlängenbereich. Dies liegt daran, dass Nanokegel mit höherem Seitenverhältnis einen glatteren Gradienten des effektiven Brechungsindex bereitstellen, die Lichtstreuung erhöhen und die Reflexion an der Vorderseite unterdrücken. Eine Struktur mit einem zu hohen Aspektverhältnis weist jedoch eine geringere spezifische Oberfläche auf, was für die Lichtdurchlässigkeit nicht gut ist. Aus diesem Grund wählen wir PDMS-Filme mit dem Seitenverhältnis 2 für weitere Studien.

Abbildung 4 zeigt Wasser-CAs von PDMS-Filmen mit unterschiedlichen Nanokonus-Seitenverhältnissen. Der flache Film zeigt hydrophobe Eigenschaften bei einem Wasser-CA von 105° wegen der großen Bindungsenergien von CH [25]. Filme mit Mikro-/Nanostrukturen würden die hydrophoben Eigenschaften bei größeren CAs im Vergleich zu den flachen verbessern [5]. Es ist leichter zu erkennen, dass der Kontaktwinkel mit zunehmendem Nanokonus-Seitenverhältnis zuerst zunimmt und dann abnimmt, und Filme mit einem Seitenverhältnis von 2 Nanokonen zeigen einen Kontaktwinkel von bis zu 151°, was die kritische Bedingung der Superhydrophobie erfüllt (Abb. 4). Und aus dem Histogramm können wir auch erfahren, dass aggregierte Nanokonus-Cluster-Mikrostrukturen größere CAs aufweisen als getrennte Nanokonus-Mikrostrukturen. Abbildung 5 zeigt Wassertröpfchen auf einer großen Oberfläche der superhydrophoben PDMS-Filme, was ebenfalls eine überlegene Superhydrophobie zeigt. Dieses Phänomen kann durch Cassies Gleichung [20, 26, 27, 28] erklärt werden:

Die Wasserkontaktwinkel von PDMS-Filmen mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen

Wassertröpfchen auf einer großen Oberfläche des superhydrophoben PDMS-Films

Hier, θ_γ und θ₁ repräsentieren die CA von PDMS-Filmen mit und ohne Oberflächenstrukturen. Also, θ _γ = 151°und θ ₁ = 105°. f ₁ ist das Verhältnis der Oberflächenstruktur an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche und f ₂ ist der Flächenanteil von Luft an der Fest-Flüssig-Grenzfläche.

Außerdem

Wir können berechnen, dass f ₁ ist 0,169 und f ₂ ist 0,831.

Aus der obigen Berechnung können wir entnehmen, dass die Wassertröpfchen hauptsächlich mit Luft in der Fest-Flüssig-Grenzfläche in Kontakt stehen, weshalb die von uns hergestellte Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur eine ausgezeichnete hydrophobe Leistung aufweist. Die verbesserte Hydrophobie verbessert auch den Selbstreinigungseffekt und die wasserabweisende Eigenschaft erheblich, was die Reinigungskosten des Geräts stark senkt und es zu einem guten Kandidaten für Anwendungen in Photovoltaik-Geräten macht [4, 5, 28].

Aus dem obigen Abschnitt „Ergebnisse und Diskussion“ können wir erfahren, dass die aggregierte Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur ein geringeres Reflexionsvermögen und größere CAs im Vergleich zur getrennten Nanokonus-Mikrostruktur aufweist. Dies stimmt auch mit der in der Literatur berichteten Schlussfolgerung überein [20]. Bisher lässt sich die Nanokonus-Mikrostruktur auf andere Substrate wie Silizium und Saphir übertragen. Und es wurde auf Photovoltaik-Geräte angewendet. Da die Morphologie der Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur während des Übertragungsprozesses schwer zu kontrollieren ist, ist es derzeit schwierig, diese Art von Cluster-Mikrostruktur auf andere Substrate zu übertragen. Aber mit der Entwicklung von Nanofabrikationsanlagen kann die Struktur in verschiedenen Bereichen durch Technologien wie Nanoimprint-Lithographie und Elektronenstrahllithographie verwendet werden.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine neue Art von Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur demonstriert, die auf einem PDMS-Substrat unter Verwendung eines einfachen Templatprozesses hergestellt wurde. Diese neuartige Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur kann die Lichtdurchlässigkeit erheblich verbessern und die Lichtreflexion reduzieren, wodurch die Leistung von Photovoltaikgeräten verbessert wird. Im gesamten Bereich des sichtbaren Bandes reduziert die Nanokonus-Cluster-Mikrostruktur, wenn der Lichteinfall unter dem normalen Winkel war, effektiv das Reflexionsvermögen des Lichts, so dass es unter 3,5% bleibt. Darüber hinaus zeigte diese Art von Cluster-Nanostruktur ausgezeichnete hydrophobe Eigenschaften und Selbstreinigungsfähigkeit, da der CA 151° beträgt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass diese Art von nanostrukturierten PDMS-Dünnschichten, die hier entwickelt wurden, ein idealer Kandidat für zukünftige kostengünstige Hochleistungs-Energiesammlungs- und optoelektronische Geräte ist [29].

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

AAO:

Eloxiertes Aluminiumoxid

AR:

Seitenverhältnis

CA:

Kontaktwinkel

PDMS:

Polydimethylsiloxan

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie