Een nieuwe nanocone-clustermicrostructuur met antireflectie en superhydrofobe eigenschappen voor fotovoltaïsche apparaten

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de fabricageprocedures van de nanocone-clustermicrostructuur. V-vorm AAO werd gebruikt als sjabloon. Het antikleefmiddel (GL-AAC, GermanLitho) werd op de AAO-sjabloon gespincoat om de volgende procedures gemakkelijker te maken. Vervolgens werd de PDMS-oplossing (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, verhouding van 10:1) druppelgegoten op de V-vormsjabloon gevolgd door een ontgassingsproces en vervolgens gedurende 4 uur bij 75 ° C uitgehard, zoals getoond in Fig. 1b, c. De PDMS-film werd van de V-vorm AAO-sjabloon afgepeld nadat het monster was afgekoeld tot kamertemperatuur. Men dacht dat de structuur verticaal was, zoals weergegeven in figuur 1d. Omdat de toonhoogte tussen elke kegel echter erg klein is en de hoogte erg hoog, zullen nanocones naar de zijkant hellen en samen worden geaggregeerd om de oppervlakte-energie te verminderen, waardoor de microstructuur van de nanoconuscluster wordt gevormd (figuur 1e). De aggregatie van nanocones kan worden beschreven in termen van twee processen:fractale percolatie en algemene Brownse beweging. In het begin bewogen alle deeltjes die betrokken waren bij PDMS-oplossingen chaotisch over de roosterpunten in fractale Brownse beweging. Toen twee deeltjes elkaar ontmoetten, vormden ze stabiele doubletten, verloren ze hun mobiliteit en werden de kernen voor de aggregaten. Toen rondzwervende deeltjes cellen naast aggregaten naderden, werden ze gevangen en werden ze elementen van het aggregaat. Zo werden steeds meer vrije deeltjes tot een aggregaat gebonden en vormden ze een nanocone-clustermicrostructuur [22].

Afbeelding 2 geeft de SEM-afbeeldingen weer van de V-vorm AAO-sjabloon en PDMS-nanocones met beeldverhoudingen van 1, 2 en 3 na het sjabloonproces. Afbeelding 2a en de inzet tonen het bovenaanzicht en het dwarsaanzicht van de sjabloon met de steek en hoogte van respectievelijk 450 en 900 nm. Figuur 2b-d toont het SEM-beeld van nanoconus-microstructuren met aspectverhoudingen van 1, 2 en 3. Uit de afbeeldingen kunnen we leren dat de morfologie nog steeds afzonderlijke nanoconus-microstructuren was na sjabloonproces met sjabloon van aspectverhouding 1. Figuur 2c, d toont het beeld van de nanocone-clustermicrostructuren met aspectverhoudingen van 2 en 3 sjablonen. De microstructuur van de nanoconuscluster is samengesteld uit verschillende nanocones, die een clusterstructuur vormen met een goede hydrofobiciteit en antireflectie. Het is te zien dat ongeveer 6-8 enkele nanocones samen aggregeren om nanocone-clustermicrostructuren te vormen met een diameter van 950 nm en een hoogte van 650 nm, zoals weergegeven in figuur 2c. Terwijl de nanocone-clustermicrostructuren gevormd in figuur 2d zijn samengesteld uit meer dan 10 afzonderlijke nanocones. De resultaten verkregen in Fig. 2c, d kunnen als volgt worden verklaard:de morfologie van de PDMS-structuur is gerelateerd aan de hoogte en toonhoogte van de structuur. In het begin was de hoek tussen de constructie en de ondergrond (wij noemen het zijwandhoek [20]) verticaal. Naarmate de hoogte van de structuur toeneemt, nam ook de zijwandhoek van de structuur toe omdat de nanoconussen ver van de oorsprong van de structuur gemakkelijker geneigd waren [20]. En vanwege de kleine pitch van de structuur beginnen de hellende nanocones samen te aggregeren om nanocone-clustermicrostructuren te vormen.

Om de optische eigenschappen van de patroonfilm te onderzoeken, werden optische reflectie- en transmissiespectra gemeten bij normale inval en werd platte PDMS-film ook ter referentie getest, zoals weergegeven in figuur 3. Blijkbaar was de reflectie van de patroonfilm aanzienlijk verminderd in vergelijking met de platte PDMS-film in een breed golflengtebereik. Monsters met een nanoconus-aspectverhouding van 2 vertonen uitstekende anti-reflectieprestaties met een reflectie van minder dan 3,5% in een golflengtebereik van 400-1100 nm [4], terwijl de reflectie lager blijft dan 5 en 4,5% voor een nanocone-aspectverhouding van 1 en 3 , respectievelijk. De lage reflectie van de van een patroon voorziene film wordt veroorzaakt door de geleidelijke verandering in de brekingsindex tussen de lucht en PDMS-oppervlakken verkregen door de nanocone-clustermicrostructuren [23, 24]. En dit is ook het bewijs dat aantoont dat geaggregeerde nanocone-clustermicrostructuur betere prestaties levert bij het verminderen van reflectie dan gescheiden nanocones.

Reflectie- en transmissiemetingen van de PDMS-films met en zonder nanocone-clustermicrostructuren

Figuur 3 toonde ook de transmissie van PDMS-films met en zonder nanostructuren, gemeten als een functie van de golflengte. Uit figuur 3 kunnen we leren dat de oppervlaktereflectie van de PDMS-film met nanoconuscluster-microstructuren hogere transmissiewaarden in het lange golflengtebereik behoudt in vergelijking met de platte PDMS-films. PDMS-films met een aspectverhouding van 2 laten de beste lichttransmissie in de lange golflengte zien. Dit komt omdat nanocones met een hogere aspectverhouding zorgen voor een vloeiendere gradiënt van de effectieve brekingsindex, de lichtverstrooiing vergroten en de reflectie aan de voorkant onderdrukken. Een structuur met een te hoge aspectverhouding heeft echter een lager specifiek oppervlak, wat niet goed is voor de lichttransmissie. Daarom kiezen we voor PDMS-films met beeldverhouding 2 voor verdere studies.

Figuur 4 toont water-CA's van PDMS-films met verschillende nanoconus-aspectverhoudingen. De vlakke film vertoont hydrofobe eigenschappen met een water CA van 105° vanwege de grote bindingsenergieën van C–H [25]. Films met micro/nanostructuren zouden de hydrofobe eigenschappen verbeteren met grotere CA's in vergelijking met de platte [5]. Het is gemakkelijker om te zien dat de contacthoek eerst toeneemt en vervolgens afneemt wanneer de beeldverhouding van nanoconus toeneemt, en films met beeldverhouding 2 nanocones die een contacthoek tot 151 ° vertonen, wat voldoet aan de kritische voorwaarde van superhydrofobiciteit (Fig. 4). En uit het histogram kunnen we ook leren dat geaggregeerde nanoconus-clustermicrostructuren grotere CA's hebben dan gescheiden nanocone-microstructuren. Figuur 5 toonde waterdruppels op een groot oppervlak van de superhydrofobe PDMS-films, wat ook een superieure superhydrofobiciteit aantoont. Dit fenomeen kan worden verklaard door de vergelijking van Cassie [20, 26,27,28]:

De watercontacthoeken van PDMS-films met verschillende beeldverhoudingen

Waterdruppels op een groot oppervlak van de superhydrofobe PDMS-film

Hier, θ_γ en θ₁ vertegenwoordigen de CA van PDMS-films met en zonder oppervlaktestructuren. Dus, θ _γ = 151°en θ ₁ = 105 °. f ₁ is de verhouding van oppervlaktestructuur op een vast-vloeibaar grensvlak, en f ₂ is de oppervlaktefractie van lucht op het grensvlak vast-vloeistof.

Bovendien,

$$ {f}_1+{f}_2=1. $$

We kunnen berekenen dat f ₁ is 0,169 en f ₂ is 0,831.

Uit de bovenstaande berekening kunnen we leren dat de waterdruppels voornamelijk in contact staan ​​met lucht in het grensvlak tussen vaste en vloeibare stoffen, en daarom heeft de nanoconus-clustermicrostructuur die we hebben voorbereid uitstekende hydrofobe prestaties. De verbeterde hydrofobiciteit verbeterde ook het zelfreinigende effect en de waterafstotende eigenschap aanzienlijk, wat de reinigingskosten van het apparaat aanzienlijk verlaagt en het een goede kandidaat maakt voor toepassingen met fotovoltaïsche apparaten [4, 5, 28].

Uit de bovenstaande sectie "Resultaten en discussie" kunnen we leren dat de geaggregeerde nanocone-clustermicrostructuur een lagere reflectie en grotere CA's vertoont in vergelijking met de gescheiden nanocone-microstructuur. Dit komt ook overeen met de in de literatuur gerapporteerde conclusie [20]. Tot nu toe kan de microstructuur van de nanoconus worden overgebracht naar andere substraten zoals silicium en saffier. En het is toegepast op fotovoltaïsche apparaten. Omdat de morfologie van de microstructuur van de nanocone-cluster moeilijk te controleren is tijdens het overdrachtsproces, is het momenteel moeilijk om dit soort clustermicrostructuur over te dragen naar andere substraten. Maar met de ontwikkeling van nanofabricagefaciliteiten kan de structuur op verschillende gebieden worden gebruikt door middel van technologieën zoals nano-imprintlithografie en elektronenstraallithografie.

Conclusies

Samenvattend hebben we een nieuw type nanocone-clustermicrostructuur aangetoond, bereid op PDMS-substraat met behulp van een eenvoudig sjabloonproces. Deze nieuwe nanocone-clustermicrostructuur kan de lichttransmissie aanzienlijk verbeteren en de lichtreflectie verminderen, waardoor de prestaties van fotovoltaïsche apparaten worden verbeterd. In het hele bereik van de zichtbare band, wanneer het licht inval onder de normale hoek was, vermindert de nanocone-clustermicrostructuur effectief de reflectiviteit van het licht, zodat deze onder 3,5% blijft. Bovendien vertoonde dit soort cluster-nanostructuur uitstekende hydrofobe eigenschappen en zelfreinigend vermogen, aangezien de CA 151 ° is. Deze resultaten suggereren dat dit soort nanogestructureerde PDMS-dunne films die hier zijn ontwikkeld een ideale kandidaat zijn voor toekomstige goedkope hoogwaardige energieverzameling en opto-elektronische apparaten [29].

Afkortingen

3D:

Driedimensionaal

AAO:

Geanodiseerd aluminiumoxide

AR:

Beeldverhouding

CA:

Contacthoek

PDMS :

Polydimethylsiloxaan

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie