Uma nova microestrutura de cluster de nanocônios com propriedades anti-reflexo e superhidrofóbicas para dispositivos fotovoltaicos

Resumo

Como as nanoestruturas tridimensionais (3D) podem melhorar significativamente a capacidade de absorção dos fótons, elas são amplamente utilizadas em vários dispositivos fotovoltaicos. No entanto, o processo de preparação complexo e de alto custo das nanoestruturas 3D tradicionais restringiu muito seu desenvolvimento. Neste artigo, um novo tipo de microestrutura de cluster nanocone foi preparado em substrato de polidimetilsiloxano (PDMS) usando um processo de template simples. Esta nova microestrutura de cluster de nanocones pode melhorar significativamente a transmitância de luz e reduzir a reflexão da luz, mostrando propriedade anti-reflexo superior. Em toda a faixa de banda visível, a microestrutura do cluster nanocone reduz efetivamente a refletividade da luz, de forma que ela permanece abaixo de 3,5%. Além disso, este tipo de microestrutura de cluster apresentou excelente propriedade superhidrofóbica e capacidade de autolimpeza com o ângulo de contato de 151 °.

Introdução

Dispositivos fotovoltaicos são candidatos promissores para energia solar renovável e sustentável [1]. Mas o baixo coeficiente de absorção de luz e a baixa eficiência do dispositivo restringem muito seu desenvolvimento. O filme anti-reflexo (AR) [2, 3], que utiliza estratégias de gerenciamento de luz para reduzir a reflexão dentro de uma camada relativamente fina de materiais ativos, é considerado uma forma eficaz para os dispositivos fotovoltaicos [4, 5]. As propriedades AR podem ser alcançadas pela introdução de micro / nanoestruturas em filmes planos [4]. Até agora, uma variedade de estruturas anti-reflexão foram relatadas, como nanoholes [6,7,8], nanofios [9], nanopartículas [10] e nanocones [11, 12].

A propriedade superhidrofóbica é outro ingrediente chave para determinar a eficiência dos dispositivos fotovoltaicos. De acordo com o relatório, a eficiência das células solares pode diminuir em 50% devido ao acúmulo de poeira a cada ano [4, 13]. Portanto, é altamente desejável propor um método para manter a superfície de dispositivos fotovoltaicos sem coloração [4]. Superfície superhidrofóbica possui boa propriedade de autolimpeza, que pode ser utilizada para remover facilmente contaminantes indesejáveis da superfície de dispositivos fotovoltaicos [14], uma forma econômica de solucionar o problema mencionado acima.

No entanto, é difícil desenvolver um filme nanoestruturado com propriedade anti-reflexo e propriedade super-hidrofóbica ao mesmo tempo. Uma vez que a propriedade super-hidrofóbica típica é geralmente alcançada em uma superfície rugosa. Enquanto isso, superfícies estruturadas ásperas freqüentemente sofrem de fortes efeitos de espalhamento ou difração, induzindo assim uma grande perda de luz [4, 15]. Portanto, raramente são relatadas pesquisas sobre os filmes multifuncionais com propriedades superhidrofóbicas e anti-reflexo. Em 2012, Kyu Back Lee et al. [14] fabricaram nanoestruturas com método RIE em superfícies de quartzo com capacidade de autolimpeza e anti-refletividade. Aqui, usavam quartzo como substrato, que não era flexível e o custo do processo RIE também era muito alto. Em 2017, Fan et al. [16] apresentou um filme anti-reflexo de arranjo de nanocones com superhidrofobicidade superior, mas a refletância no comprimento de onda longo não foi satisfeita. Portanto, é imperativo desenvolver filmes nanoestruturados simples e amigáveis ao meio ambiente com propriedades anti-reflexo e superhidrofóbicas [4].

Neste artigo, demonstramos um novo tipo de microestrutura de cluster nanocone preparada no substrato PDMS usando um processo de template simples. Esta nova microestrutura de cluster nanocone pode melhorar significativamente a transmitância da luz e reduzir a refletividade da luz, que pode ser usada em dispositivos fotovoltaicos para melhorar a eficiência. Enquanto isso, possui propriedade superhidrofóbica superior, com um ângulo de contato com a água (CA) de 151 °. Esta propriedade única leva a uma função de autolimpeza e repelente de água [16]. Além disso, o PDMS é um material ecologicamente correto, flexível e altamente transparente, o que também é bom para a melhoria da transmitância da luz [4, 17].

Métodos

Preparação de microestruturas de cluster de nanocone

O modelo de óxido de alumínio anodizado (AAO) pode ser obtido por anodização multipasso usando uma solução ácida e voltagem DC adequada, seguido por um processo de corrosão úmida [11, 16, 18, 19]. Aqui, usamos três modelos com diferentes proporções de aspecto (AR, definido pela altura dos nanocones sobre a periodicidade) de 1, 2 e 3 para investigar o efeito do tamanho dos nanocones em seu desempenho. O passo dos modelos era de 450 nm e a altura era de 450 nm, 900 nm e 1350 nm correspondendo à razão de aspecto de 1, 2 e 3. O pequeno passo do modelo foi benéfico para a preparação da estrutura do cluster porque pitch menor leva a uma proporção de aspecto maior. A estrutura com maior proporção de aspecto geralmente possui uma grande energia de sistema. Para manter a estabilidade da estrutura, parte da energia do sistema será liberada durante o processo de cura [20]. Assim, o nanocone único foi mais facilmente inclinado e agregado para formar microestruturas de cluster de nanocone após a secagem. O modelo AAO foi limpo com acetona, etanol e água destilada, seguido por um revestimento giratório de agente antiaderente (GL-AAC, GermanLitho). Em seguida, a solução de PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, proporção de 10:1) foi fundida no modelo em forma de V e a amostra foi bombeada em um recipiente a vácuo para remover bolhas de ar no solvente de PDMS , seguido por um processo de cura a 75 ° C por 4 h, conforme mostrado na Fig. 1b, c [16]. Finalmente, os filmes de nanocone PDMS com uma espessura de 0,3 mm foram retirados diretamente do modelo AAO em forma de V quando a amostra resfriou até a temperatura ambiente. Como o passo entre cada cone é muito pequeno e a altura é muito alta, os nanocones serão inclinados para o lado no momento em que o filme PDMS é retirado do molde, resultando em 6-8 cones agregando-se e formando microestruturas de aglomerados de nanocones após a secagem (Fig. 2c).

a - e O esquemático processo de fabricação de microestruturas de cluster nanocone

Imagens SEM de a Modelo AAO em forma de V e b - d Nanocones de PDMS com proporções de aspecto de 1, 2 e 3

Caracterizações

A análise morfológica dos produtos preparados foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, EUA) [21]. O desempenho hidrofóbico dos produtos foi medido por um testador de ângulo de contato com a água JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus Co., Ltd., Xangai, China). A propriedade óptica foi medida por um espectrofotômetro Varian Cary5E na faixa de 400–1100 nm.

Resultados e discussão

A Figura 1 demonstra os procedimentos de fabricação da microestrutura do cluster nanocone. O AAO em forma de V foi usado como modelo. O agente anti-aderente (GL-AAC, GermanLitho) foi revestido por centrifugação no modelo AAO para tornar os procedimentos a seguir mais fáceis. Em seguida, a solução de PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, proporção de 10:1) foi fundida no molde em forma de V seguida por um processo de desgaseificação e, em seguida, curada a 75 ° C por 4 h, conforme mostrado na Fig. 1b, c. O filme PDMS foi retirado do modelo AAO em forma de V após o resfriamento da amostra até a temperatura ambiente. A estrutura foi pensada para ser vertical, conforme mostrado na Fig. 1d. Porém, como o espaçamento entre cada cone é muito pequeno e a altura muito alta, os nanocones serão inclinados para o lado e agregados para reduzir a energia de superfície, formando assim a microestrutura do cluster nanocone (Fig. 1e). A agregação de nanocones pode ser descrita em termos de dois processos:percolação fractal e movimento browniano geral. No início, todas as partículas envolvidas nas soluções de PDMS moviam-se caoticamente sobre os pontos da rede em movimento browniano fractal. Quando duas partículas se encontraram, formaram dupletos estáveis, perderam sua mobilidade e se tornaram os núcleos dos agregados. Quando partículas errantes se aproximaram das células próximas aos agregados, elas foram capturadas e se tornaram elementos do agregado. Assim, mais e mais partículas livres foram ligadas em um agregado e formaram a microestrutura do cluster nanocone [22].

A Figura 2 representa as imagens SEM do modelo AAO em forma de V e nanocones PDMS com relações de aspecto de 1, 2 e 3 após o processo do modelo. A Figura 2a e a inserção mostram a vista superior e a vista transversal do modelo com o passo e a altura de 450 e 900 nm, respectivamente. A Figura 2b-d exibe a imagem SEM de microestruturas nanocônicas com relações de aspecto de 1, 2 e 3. A partir das imagens, podemos aprender que a morfologia ainda era microestruturas nanocônicas separadas após o processo de template com template de relação de aspecto 1. Figura 2c, d mostra a imagem das microestruturas de cluster de nanocones com relações de aspecto de 2 e 3 modelos. A microestrutura do cluster nanocone é composta por vários nanocones, formando uma estrutura de cluster com boa hidrofobicidade e anti-refletância. Pode-se ver que cerca de 6–8 nanocones individuais se agregando para formar microestruturas de cluster de nanocones com diâmetro de 950 nm e altura de 650 nm, como mostrado na Fig. 2c. Enquanto as microestruturas de cluster nanocone formadas na Fig. 2d são compostas por mais de 10 nanocones separados. Os resultados obtidos na Fig. 2c, d podem ser explicados da seguinte forma:a morfologia da estrutura do PDMS está relacionada com a altura e inclinação da estrutura. No início, o ângulo entre a estrutura e o substrato (chamamos de ângulo da parede lateral [20]) era vertical. Conforme a altura da estrutura aumenta, o ângulo da parede lateral da estrutura também aumenta porque os nanocones distantes da origem da estrutura são mais facilmente inclinados [20]. E por causa do pequeno passo da estrutura, os nanocones inclinados começam a se agregar para formar microestruturas de cluster de nanocones.

A fim de investigar as propriedades ópticas do filme padronizado, espectros de refletância e transmitância óptica foram medidos na incidência normal e o filme PDMS plano também foi testado para referência, como mostrado na Fig. 3. Aparentemente, a refletância do filme padronizado foi significativamente reduzida em comparação com o filme PDMS plano em uma ampla faixa de comprimento de onda. Amostras com proporção de nanocone de 2 exibem excelente desempenho anti-reflexo com a refletância abaixo de 3,5% em uma faixa de comprimento de onda de 400-1100 nm [4], enquanto a refletância se mantém abaixo de 5 e 4,5% para proporção de nanocone de 1 e 3 , respectivamente. A baixa refletância do filme padronizado é originada pela mudança gradual no índice de refração entre o ar e as superfícies do PDMS obtido pelas microestruturas de aglomerados de nanocones [23, 24]. E esta também é a evidência de mostrar que a microestrutura do cluster de nanocones agregados tem melhor desempenho na redução da reflexão do que os nanocones separados.

Medições de refletância e transmitância dos filmes PDMS com e sem microestruturas de cluster de nanocone

A Figura 3 também exibiu a transmitância de filmes PDMS com e sem nanoestruturas medidas em função do comprimento de onda. A partir da Fig. 3, podemos aprender que a refletância da superfície do filme PDMS com microestruturas de agrupamento de nanocones mantém valores de transmitância mais elevados na faixa de comprimento de onda longa em comparação com os filmes PDMS planos. Filmes PDMS com proporção de 2 mostram a melhor transmissão de luz no comprimento de onda longo. Isso ocorre porque os nanocones de proporção mais alta fornecerão um gradiente mais suave de índice de refração efetivo, aumentam a dispersão de luz e suprimem a refletância frontal. No entanto, uma estrutura de razão de aspecto muito alta tem uma área de superfície específica inferior, o que não é bom para a transmissão de luz. É por isso que escolhemos os filmes PDMS com proporção 2 para estudos posteriores.

A Figura 4 mostra CAs de água de filmes de PDMS com diferentes proporções de nanocone. O filme plano mostra propriedade hidrofóbica com um CA de água de 105 ° por causa das grandes energias de ligação de C – H [25]. Filmes com micro / nanoestruturas melhorariam as características hidrofóbicas com CAs maiores em comparação com o plano [5]. É mais fácil ver que o ângulo de contato aumenta primeiro e depois diminui com o aumento da proporção de nanocone e filmes com proporção de nanocone 2 mostrando um ângulo de contato de até 151 °, o que satisfaz a condição crítica de superhidrofobicidade (Fig. 4). E a partir do histograma, também podemos aprender que as microestruturas de cluster de nanocons agregados têm CAs maiores do que as microestruturas de nanocones separadas. A Figura 5 exibiu gotículas de água em uma grande superfície dos filmes PDMS super-hidrofóbicos, também demonstrando super-hidrofobicidade superior. Este fenômeno pode ser explicado pela equação de Cassie [20, 26,27,28]:
$$ {\ mathrm {cos} \ uptheta} _ {\ gamma} ={f} _1 \ cos {\ theta} _1- {f} _2 $$

Os ângulos de contato com a água de filmes PDMS com diferentes relações de aspecto

Gotas de água em uma grande superfície do filme PDMS superhidrofóbico

Aqui, θ _γ e θ ₁ representam o CA de filmes PDMS com e sem estruturas de superfície. Então, θ _γ =151 ° e θ ₁ =105 °. f ₁ é a razão da área da estrutura superficial em uma interface sólido-líquido, e f ₂ é a fração de área de ar na interface sólido-líquido.

Além disso,
$$ {f} _1 + {f} _2 =1. $$
Podemos calcular que f ₁ é 0,169 e f ₂ é 0,831.

A partir do cálculo acima, podemos aprender que as gotas de água estão principalmente em contato com o ar na interface sólido-líquido, razão pela qual a microestrutura do cluster de nanocones que preparamos tem excelente desempenho hidrofóbico. A hidrofobicidade melhorada também aumentou o efeito de autolimpeza e a propriedade repelente de água significativamente, o que diminui muito o custo de limpeza do dispositivo e o torna um bom candidato em aplicações de dispositivos fotovoltaicos [4, 5, 28].

Na seção "Resultados e discussão" acima, podemos aprender que a microestrutura do cluster nanocone agregado exibe menor refletância e CAs maiores em comparação com a microestrutura nanocônica separada. Isso também é consistente com a conclusão relatada na literatura [20]. Até agora, a microestrutura do nanocone pode ser transferida para outros substratos como silício e safira. E tem sido aplicado a dispositivos fotovoltaicos. Como a morfologia da microestrutura do cluster nanocone é difícil de controlar durante o processo de transferência, é difícil transferir este tipo de microestrutura do cluster para outros substratos no momento. Mas com o desenvolvimento de instalações de nanofabricação, a estrutura pode ser usada em vários campos por meio de tecnologias como litografia de nanoimpressão e litografia de feixe de elétrons.

Conclusões

Em resumo, demonstramos um novo tipo de microestrutura de cluster nanocone preparada no substrato PDMS usando um processo de modelo simples. Esta nova microestrutura de cluster nanocone pode melhorar significativamente a transmitância da luz e reduzir a reflexão da luz, melhorando assim o desempenho dos dispositivos fotovoltaicos. Em toda a faixa do visível, quando a luz incidente estava no ângulo normal, a microestrutura do cluster nanocone efetivamente reduz a refletividade da luz, de forma que ela permanece abaixo de 3,5%. Além disso, este tipo de nanoestrutura de cluster mostrou excelente propriedade hidrofóbica e capacidade de autolimpeza, pois o CA é 151 °. Esses resultados sugerem que esse tipo de filme fino de PDMS nanoestruturado desenvolvido aqui é um candidato ideal para futura coleta de energia de baixo custo e alto desempenho e dispositivos optoeletrônicos [29].

Abreviações

3D:: Tridimensional
AAO:: Óxido de alumínio anodizado
AR:: Proporção da tela
CA:: Ângulo de contato
PDMS:: Polidimetilsiloxano
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura

Nanoscopia baseada em microscopia de força atômica de células-tronco humanas derivadas de adiposo diferenciando condrogenicamente:nanoestrutura e expressão β1 de integrina Red Spectral Shift in Sensitive Colorimetric Detection of Tuberculose by ESAT-6 Antigen-Antibody Complex:a New Strategy with Gold Nanoparticle

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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Especiarias