Une nouvelle microstructure d'amas de nanocônes avec des propriétés antireflet et superhydrophobes pour les dispositifs photovoltaïques

Introduction

Les dispositifs photovoltaïques sont des candidats prometteurs pour l'énergie solaire renouvelable et durable [1]. Mais le faible coefficient d'absorption de la lumière et la faible efficacité de l'appareil limitent considérablement son développement. Le film antireflet (AR) [2, 3], qui utilise des stratégies de gestion de la lumière pour réduire la réflexion dans une couche relativement mince de matériaux actifs, est considéré comme un moyen efficace pour les dispositifs photovoltaïques [4, 5]. Les propriétés AR peuvent être obtenues en introduisant des micro/nanostructures sur des films plats [4]. Jusqu'à présent, diverses structures antireflet ont été signalées, telles que des nanotrous [6,7,8], des nanofils [9], des nanoparticules [10] et des nanocônes [11,12].

La propriété superhydrophobe est un autre ingrédient clé pour déterminer l'efficacité des dispositifs photovoltaïques. Selon le rapport, l'efficacité des cellules solaires pourrait diminuer de 50 % en raison de l'accumulation de poussière chaque année [4, 13]. Par conséquent, il est hautement souhaitable de proposer une méthode pour garder la surface des dispositifs photovoltaïques non tachée [4]. La surface superhydrophobe possède une bonne propriété autonettoyante, qui peut être utilisée pour éliminer facilement les contaminants indésirables de la surface des dispositifs photovoltaïques [14], un moyen économique de résoudre le problème mentionné ci-dessus.

Cependant, il est difficile de développer un film nanostructuré avec à la fois une propriété antireflet et une propriété superhydrophobe. Étant donné que la propriété superhydrophobe typique est généralement obtenue sur une surface rugueuse. Pendant ce temps, les surfaces structurées rugueuses souffrent souvent de forts effets de diffusion ou de diffraction, induisant ainsi une grande perte de lumière [4, 15]. Par conséquent, les recherches sur les films multifonctionnels aux propriétés superhydrophobes et antireflet sont rarement rapportées. En 2012, Kyu Back Lee et al. [14] ont fabriqué des nanostructures avec une méthode RIE sur des surfaces de quartz avec autonettoyabilité et antireflet. Ici, ils ont utilisé du quartz comme substrat, qui n'était pas flexible et le coût du processus RIE était également très élevé. En 2017, Fan et al. [16] ont présenté un film antireflet à nanocônes avec une superhydrophobie supérieure, mais la réflectance dans la grande longueur d'onde n'était pas satisfaite. Par conséquent, il est impératif de développer des films nanostructurés simples et respectueux de l'environnement dotés de propriétés antireflet et superhydrophobes [4].

Dans cet article, nous avons démontré un nouveau type de microstructure de cluster nanocône préparé sur substrat PDMS en utilisant un processus de modèle simple. Cette nouvelle microstructure de cluster de nanocônes peut améliorer considérablement la transmission de la lumière et réduire la réflectivité de la lumière, ce qui peut être utilisé dans les dispositifs photovoltaïques pour améliorer l'efficacité. Pendant ce temps, il possède une propriété superhydrophobe supérieure, avec un angle de contact avec l'eau (CA) de 151°. Cette propriété unique conduit à une fonction autonettoyante et à une fonction hydrofuge [16]. De plus, le PDMS est un matériau respectueux de l'environnement, flexible et hautement transparent, qui est également bon pour l'amélioration de la transmission de la lumière [4, 17].

Méthodes

Préparation de microstructures de grappes de nanocônes

Le modèle d'oxyde d'aluminium anodisé (AAO) peut être obtenu par anodisation en plusieurs étapes en utilisant une solution acide et une tension continue appropriée, suivie d'un processus de gravure humide [11, 16, 18, 19]. Ici, nous avons utilisé trois modèles avec différents rapports d'aspect (AR, défini par la hauteur des nanocônes sur la périodicité) de 1, 2 et 3 pour étudier l'effet de la taille du nanocône sur ses performances. Le pas des modèles était de 450 nm et la hauteur était de 450 nm, 900 nm et 1350 nm correspondant au rapport hauteur/largeur de 1, 2 et 3. Le petit pas du modèle a été bénéfique pour la préparation de la structure de cluster car un pas plus petit conduit à un rapport hauteur/largeur plus grand. La structure avec un rapport d'aspect plus grand possède généralement une énergie système énorme. Afin de maintenir la stabilité de la structure, une partie de l'énergie du système sera libérée pendant le processus de durcissement [20]. Ainsi, le nanocône unique s'inclinait et s'agrégeait plus facilement pour former des microstructures d'agrégats de nanocônes après séchage. Le modèle AAO a été nettoyé avec de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau distillée, suivi d'un revêtement par centrifugation d'un agent antiadhésif (GL-AAC, GermanLitho). Ensuite, la solution de PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, rapport 10:1) a été coulée sur le modèle en forme de V et l'échantillon a été pompé dans une enceinte à vide pour éliminer les bulles d'air dans le solvant PDMS , suivi d'un processus de durcissement à 75 °C pendant 4 h, comme indiqué sur la Fig. 1b, c [16]. Enfin, des films de nanocônes PDMS d'une épaisseur de 0,3 mm ont été décollés directement du modèle AAO en forme de V lorsque l'échantillon a refroidi à température ambiante. Comme le pas entre chaque cône est très petit et que la hauteur est très élevée, les nanocônes seront inclinés sur le côté au moment où le film PDMS est décollé du gabarit, ce qui entraîne l'agrégation de 6 à 8 cônes et la formation de microstructures en grappes de nanocônes. après séchage (Fig. 2c).

un –e Le processus de fabrication schématique des microstructures d'agrégats de nanocônes

Images SEM de a Modèle AAO en forme de V et b –d Nanocônes PDMS avec des rapports d'aspect de 1, 2 et 3

Caractérisations

L'analyse morphologique des produits tels que préparés a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA) [21]. Les performances hydrophobes des produits ont été mesurées par un testeur d'angle de contact avec l'eau JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus Co., Ltd., Shanghai, Chine). La propriété optique a été mesurée par un spectrophotomètre Varian Cary5E dans la plage de 400 à 1 100 nm.

Résultats et discussion

La figure 1 montre les procédures de fabrication de la microstructure du cluster nanocône. L'AAO en forme de V a été utilisé comme modèle. L'agent anti-adhérent (GL-AAC, GermanLitho) a été appliqué par centrifugation sur le gabarit AAO pour faciliter les procédures suivantes. Ensuite, la solution de PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, ratio 10:1) a été coulée par goutte sur le modèle en forme de V suivie d'un processus de dégazage puis durcie à 75 °C pendant 4 h, comme illustré à la Fig. 1b, c. Le film PDMS a été décollé du modèle AAO en forme de V après que l'échantillon ait refroidi à la température ambiante. La structure était censée être verticale, comme le montre la figure 1d. Cependant, comme le pas entre chaque cône est très petit et que la hauteur est très élevée, les nanocônes seront inclinés sur le côté et agrégés entre eux afin de réduire l'énergie de surface, formant ainsi la microstructure de l'agrégat de nanocônes (Fig. 1e). L'agrégation des nanocônes pourrait être décrite en termes de deux processus :la percolation fractale et le mouvement brownien général. Au début, toutes les particules impliquées dans les solutions de PDMS se déplaçaient de manière chaotique sur les points du réseau dans un mouvement brownien fractal. Lorsque deux particules se sont rencontrées, elles ont formé des doublets stables, ont perdu leur mobilité et sont devenues les noyaux des agrégats. Lorsque des particules errantes se sont approchées des cellules à côté des agrégats, elles ont été capturées et sont devenues des éléments de l'agrégat. Ainsi, de plus en plus de particules libres ont été liées dans un agrégat et forment une microstructure d'amas de nanocônes [22].

La figure 2 représente les images SEM du modèle AAO en forme de V et des nanocônes PDMS avec des rapports d'aspect de 1, 2 et 3 après le processus de modèle. La figure 2a et l'encart montrent la vue de dessus et la vue transversale du modèle avec un pas et une hauteur de 450 et 900 nm, respectivement. La figure 2b–d affiche l'image SEM de microstructures de nanocônes avec des rapports d'aspect de 1, 2 et 3. À partir des images, nous pouvons apprendre que la morphologie était encore des microstructures de nanocônes séparées après le processus de modèle avec le modèle de rapport d'aspect 1. Figure 2c, d montre l'image des microstructures du cluster nanocône avec des rapports d'aspect de 2 et 3 modèles. La microstructure d'amas de nanocônes est composée de plusieurs nanocônes, formant une structure d'amas avec une bonne hydrophobie et antireflet. On peut voir qu'environ 6 à 8 nanocônes simples s'agrègent ensemble pour former des microstructures d'amas de nanocônes d'un diamètre de 950 nm et d'une hauteur de 650 nm, comme le montre la figure 2c. Alors que les microstructures de cluster de nanocônes formées sur la figure 2d sont composées de plus de 10 nanocônes distincts. Les résultats obtenus dans les Fig. 2c, d peuvent être expliqués comme suit :la morphologie de la structure du PDMS est liée à la hauteur et au pas de la structure. Au début, l'angle entre la structure et le substrat (nous l'appelons angle de paroi latérale [20]) était vertical. À mesure que la hauteur de la structure augmente, l'angle de paroi latérale de la structure augmente également car les nanocônes éloignés de l'origine de la structure sont plus facilement inclinés [20]. Et en raison du petit pas de la structure, les nanocônes inclinés commencent à s'agréger pour former des microstructures d'agrégats de nanocônes.

Afin d'étudier les propriétés optiques du film à motifs, les spectres de réflectance et de transmittance optiques ont été mesurés à incidence normale et le film PDMS plat a également été testé pour référence, comme le montre la figure 3. Apparemment, la réflectance du film à motifs a été considérablement réduite par rapport au film PDMS plat dans une large gamme de longueurs d'onde. Les échantillons avec un rapport d'aspect de nanocône de 2 présentent d'excellentes performances antireflet avec une réflectance inférieure à 3,5 % dans une plage de longueurs d'onde de 400 à 1 100 nm [4], tandis que la réflectance reste inférieure à 5 et 4,5 % pour un rapport d'aspect de nanocône de 1 et 3 , respectivement. La faible réflectance du film à motifs est causée par le changement progressif de l'indice de réfraction entre l'air et les surfaces PDMS obtenu par les microstructures de cluster nanocône [23, 24]. Et c'est aussi la preuve que la microstructure en grappes de nanocônes agrégés a de meilleures performances pour réduire la réflexion que les nanocônes séparés.

Mesures de réflectance et de transmittance des films PDMS avec et sans microstructures d'agrégats de nanocônes

La figure 3 a également affiché la transmittance des films PDMS avec et sans nanostructures mesurée en fonction de la longueur d'onde. À partir de la Fig. 3, nous pouvons apprendre que la réflectance de surface du film PDMS avec des microstructures de cluster de nanocônes conserve des valeurs de transmittance plus élevées dans la plage de longueur d'onde longue par rapport aux films PDMS plats. Les films PDMS avec un rapport hauteur/largeur de 2 montrent la meilleure transmission de la lumière dans la grande longueur d'onde. En effet, des nanocônes à rapport d'aspect plus élevé fourniront un gradient plus doux d'indice de réfraction efficace, augmenteront la diffusion de la lumière et supprimeront la réflectance frontale. Cependant, une structure à rapport d'aspect trop élevé a une surface spécifique inférieure, ce qui n'est pas bon pour la transmission de la lumière. C'est pourquoi nous choisissons des films PDMS avec un rapport d'aspect 2 pour des études plus approfondies.

La figure 4 montre les CA d'eau de films PDMS avec différents rapports d'aspect de nanocône. Le film plat montre une propriété hydrophobe avec une eau CA de 105° en raison des grandes énergies de liaison de C–H [25]. Les films avec des micro/nanostructures amélioreraient les caractéristiques hydrophobes avec des CA plus grands par rapport à un CA plat [5]. Il est plus facile de voir que l'angle de contact augmente d'abord puis diminue avec l'augmentation du rapport d'aspect du nanocône, et les films avec un rapport d'aspect de 2 nanocônes montrant un angle de contact jusqu'à 151°, ce qui satisfait la condition critique de superhydrophobie (Fig. 4). Et à partir de l'histogramme, nous pouvons également apprendre que les microstructures d'agrégats de nanocônes agrégés ont des CA plus importants que les microstructures de nanocônes séparées. La figure 5 a montré des gouttelettes d'eau sur une grande surface des films de PDMS superhydrophobes, démontrant également une superhydrophobie supérieure. Ce phénomène peut être expliqué par l'équation de Cassie [20, 26, 27, 28] :

Les angles de contact avec l'eau des films PDMS avec différents formats d'image

Gouttelettes d'eau sur une grande surface du film PDMS superhydrophobe

Ici, θ_γ et θ₁ représentent l'AC des films PDMS avec et sans structures de surface. Alors, θ _γ = 151°et θ ₁ = 105°. f ₁ est le rapport de la surface de la structure sur une interface solide-liquide, et f ₂ est la fraction surfacique de l'air à l'interface solide-liquide.

De plus,

Nous pouvons calculer que f ₁ est 0,169 et f ₂ est de 0,831.

À partir du calcul ci-dessus, nous pouvons apprendre que les gouttelettes d'eau sont principalement en contact avec l'air dans l'interface solide-liquide, c'est pourquoi la microstructure en cluster de nanocônes que nous avons préparée présente d'excellentes performances hydrophobes. L'hydrophobie améliorée a également amélioré l'effet autonettoyant et la propriété hydrofuge de manière significative, ce qui réduit considérablement le coût de nettoyage de l'appareil et en fait un bon candidat pour les applications de dispositifs photovoltaïques [4, 5, 28].

À partir de la section « Résultats et discussion » ci-dessus, nous pouvons apprendre que la microstructure en grappe de nanocônes agrégée présente une réflectance inférieure et des CA plus grandes par rapport à la microstructure de nanocônes séparée. Ceci est également cohérent avec la conclusion rapportée dans la littérature [20]. Jusqu'à présent, la microstructure du nanocône peut être transférée sur d'autres substrats comme le silicium et le saphir. Et il a été appliqué aux dispositifs photovoltaïques. Comme la morphologie de la microstructure d'amas de nanocônes est difficile à contrôler pendant le processus de transfert, il est difficile de transférer ce type de microstructure d'amas sur d'autres substrats à l'heure actuelle. Mais avec le développement des installations de nanofabrication, la structure peut être utilisée dans divers domaines grâce à des technologies telles que la lithographie par nanoimpression et la lithographie par faisceau d'électrons.

Conclusions

En résumé, nous avons démontré un nouveau type de microstructure de cluster nanocône préparé sur substrat PDMS en utilisant un processus de modèle simple. Cette nouvelle microstructure de cluster de nanocônes peut considérablement améliorer la transmission de la lumière et réduire la réflexion de la lumière, améliorant ainsi les performances des dispositifs photovoltaïques. Dans toute la gamme de la bande visible, lorsque la lumière incidente était à l'angle normal, la microstructure du cluster nanocône réduit efficacement la réflectivité de la lumière, de sorte qu'elle reste inférieure à 3,5%. De plus, ce type de nanostructure en cluster a montré d'excellentes propriétés hydrophobes et une capacité d'auto-nettoyage car le CA est de 151°. Ces résultats suggèrent que ce type de films minces PDMS nanostructurés développés ici est un candidat idéal pour les futurs dispositifs optoélectroniques et de collecte d'énergie à faible coût et à haute performance [29].

Abréviations

3D :

Tridimensionnel

AAO :

Oxyde d'aluminium anodisé

RA :

Format d'image

CA :

Angle de contact

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

SEM :

Microscopie électronique à balayage