Grappes de nanocônes PDMS rentables pour une réflectance ultra-faible des cellules solaires et un autonettoyage superhydrophobe

Résumé

Les nanostructures tridimensionnelles sont largement adoptées pour augmenter l'absorption des photons dans les dispositifs photovoltaïques, mais leur fabrication entraîne souvent un coût et une complexité élevés. Ici, nous présentons une méthode simple, basée sur un modèle, pour créer une nouvelle microstructure de grappes de nanocônes sur un substrat de polydiméthylsiloxane (PDMS). La surface résultante offre une anti-réflexion exceptionnelle, maintenant la réflectivité en dessous de 3,5 % sur l'ensemble du spectre visible, et atteint un angle de contact à l'eau remarquable de 151°, confirmant sa superhydrophobicité et sa capacité d'autonettoyage. Ces avantages optiques et de mouillage combinés font de la grappe de nanocônes un ajout prometteur, peu coûteux et performant, pour les cellules solaires de prochaine génération.

Introduction

Le photovoltaïque solaire est central pour la transition vers les énergies renouvelables, mais son efficacité est souvent limitée par une absorption de lumière sous-optimale et l'encrassement de surface. Les revêtements anti-réflexion (AR) atténuent les pertes par réflexion en manipulant le gradient d'indice de réfraction à travers la surface du dispositif [2,3]. Les couches AR micro- et nanostructurées — telles que les nanocavités, nanofils, nanoparticules et nanocônes — ont été largement explorées [4-12]. Parallèlement, la superhydrophobicité est cruciale pour maintenir la performance du dispositif, car l'accumulation de poussière peut réduire l'efficacité jusqu'à 50 % par an [4,13]. Une surface hydrophobe qui s'autonettoie élimine les contaminants économiquement [14]. Cependant, intégrer à la fois une AR à haut rendement et une superhydrophobicité robuste dans un seul film flexible reste un défi, car la rugosité favorisant la mouillabilité introduit souvent des pertes par diffusion.

Des travaux antérieurs ont démontré des nanostructures AR et superhydrophobes sur des substrats rigides (ex. quartz) par gravure ionique réactive (RIE) [14], ou ont obtenu une hydrophobicité supérieure avec une performance AR limitée dans le régime des grandes longueurs d'onde [16]. Il existe un besoin clair d'une approche respectueuse de l'environnement, flexible et peu coûteuse offrant les deux fonctions. Dans cette étude, nous rapportons une grappe de nanocônes à base de PDMS fabriquée via un processus de modèle simple qui répond à ces critères.

Méthodes

Préparation des microstructures de grappes de nanocônes

Nous avons utilisé des modèles d'alumine anodisée (AAO) produits par anodisation en plusieurs étapes et gravure humide pour définir la géométrie des nanocônes. Trois modèles avec des rapports d'aspect (RA = hauteur/pas) de 1, 2 et 3 ont été fabriqués, correspondant à des hauteurs de 450 nm, 900 nm et 1350 nm et un pas constant de 450 nm. Des pas plus petits encouragent l'agrégation pendant le durcissement, produisant la morphologie de grappe souhaitée.

Après nettoyage de l'AAO à l'acétone, l'éthanol et l'eau distillée, une couche anti-adhésive (GL-AAC, GermanLitho) a été déposée par essorage. Le PDMS (GL-ML CURE/GL-ML BASE, rapport 10:1) a été coulé sur le modèle, dégazé dans une chambre à vide et durci à 75 °C pendant 4 h (Fig. 1b,c). Après refroidissement, le film PDMS a été décollé du modèle, produisant un film de 0,3 mm d'épaisseur qui présentait des nanocônes inclinés, s'agrégant — formant la microstructure de grappe — en raison de la minimisation de l'énergie de surface pendant le séchage (Fig. 1e).

Caractérisations

La morphologie de surface a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB, FEI NanoSEM650). L'hydrophobicité a été quantifiée avec un testeur d'angle de contact à l'eau JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus). La performance optique a été mesurée sur un spectrophotomètre Varian Cary5E sur 400-1100 nm.

Résultats et discussion

La figure 1 illustre les étapes de fabrication, confirmant l'orientation verticale des nanocônes avant agrégation. Le mécanisme d'agrégation suit la percolation fractale et le mouvement brownien, où les cônes individuels coalescent en grappes pour abaisser l'énergie de surface [22].

Le modèle de rapport d'aspect 2 a produit des grappes de 6-8 cônes (≈950 nm de diamètre, 650 nm de hauteur), tandis que le modèle de rapport d'aspect 3 a donné des grappes plus grandes (>10 cônes). L'agrégation est entraînée par l'augmentation des angles de paroi latérale à mesure que la hauteur augmente, encourageant les cônes voisins à se pencher les uns vers les autres.

Les mesures optiques (Fig. 3) révèlent que le film structuré surpasse le PDMS plat sur l'ensemble du spectre visible. Les grappes de rapport d'aspect 2 atteignent une réflectance inférieure à 3,5 % de 400 à 1100 nm, tandis que les grappes de rapport d'aspect 1 et 3 montrent une réflectance <5 % et <4,5 %, respectivement. L'indice de réfraction gradué créé par les grappes supprime efficacement la réflexion frontale [23,24]. La transmittance est également plus élevée pour le film de rapport d'aspect 2 aux grandes longueurs d'onde, en raison d'un gradient d'indice plus lisse qui équilibre diffusion et transmission.

Les tests de mouillabilité (Fig. 4) montrent que le PDMS plat est modérément hydrophobe (105°). L'introduction de nanostructures augmente l'angle de contact, culminant à 151° pour les grappes de rapport d'aspect 2, satisfaisant le seuil de 150° pour la superhydrophobicité. Les grappes agrégées surpassent les cônes isolés car elles piègent plus d'air (f₂ = 0,831) et réduisent la fraction de contact solide (f₁ = 0,169) selon le modèle de Cassie [20,26-28]. L'effet d'autonettoyage résultant est évident en Fig. 5, où les gouttelettes roulent proprement, emportant les particules de poussière.

Ces résultats confirment que les grappes de nanocônes agrégées offrent une performance optique et de mouillage supérieure par rapport aux nanocônes isolés. Bien que le transfert sur substrats rigides (silicium, saphir) soit actuellement limité par la stabilité des grappes, les avancées en nanoimpression et lithographie par faisceau d'électrons pourraient permettre une application plus large.

Conclusions

Nous avons démontré une fabrication facile, basée sur un modèle, de grappes de nanocônes PDMS qui offrent simultanément une réflectance sous-3,5 % sur la bande visible et un angle de contact à l'eau de 151°. Ces deux attributs — perte optique ultra-faible et superhydrophobicité autonettoyante — positionnent la grappe de nanocônes comme un revêtement flexible rentable pour les dispositifs photovoltaïques et optoélectroniques à haut rendement [29].

Abréviations

3D :

Tridimensionnel

AAO :

Alumine anodisée

RA :

Rapport d'aspect

CA :

Angle de contact

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

MEB :

Microscopie électronique à balayage