Revêtement nanocomposite hybride TiO₂ atteignant 80% de réflectance diffuse et supprimant l'éblouissement spéculaire

Résumé

Nous démontrons qu'un revêtement hybride microstructuré de TiO₂ peut atteindre une réflectance diffuse exceptionnelle en exploitant à la fois les mécanismes de diffusion de surface et de volume. Les réflecteurs diffus conventionnels dépendent largement du texturage aléatoire de surface ; notre travail numérique et expérimental montre que des structures hybrides ordonnées-désordonnées permettent une réflexion diffuse efficace sur l'ensemble du spectre visible. La réflectance augmente nettement avec l'épaisseur du revêtement, tandis que les composantes spéculaires dépendantes de l'angle et de la polarisation sont fortement atténuées, soulignant le potentiel du revêtement comme réflecteur diffus haute performance pour des applications photoniques avancées.

Contexte

La diffusion lumineuse diffuse à partir de surfaces rugueuses sous-tend de nombreuses applications en science optique et des matériaux, pilotant des phénomènes du piégeage de lumière dans les cellules solaires à la conception d'éclairage [1-7]. Bien que la diffusion de surface de diélectriques texturés aléatoirement ait été largement exploitée [8,9], des études récentes révèlent une diffusion de volume dans des milieux inhomogènes résultant de corrélations croisées entre la rugosité de surface et les hétérogénéités internes [10,11]. Ce paradigme de diffusion double offre une boîte à outils plus riche pour contrôler à la fois l'intensité et la polarisation des champs diffusés [12-15] et s'intègre parfaitement avec la plasmonique, les nano-antennes et les métamatériaux, permettant de nouvelles fonctionnalités photoniques [16-18].

Les réflecteurs hybrides microstructurés ont déjà amélioré la gestion de la lumière dans des composants tels que les cellules solaires et les affichages [19-24]. En redirigeant la lumière qui s'échapperait autrement vers l'avant, ils améliorent la performance des dispositifs. Pourtant, la plupart des conceptions reposent sur des textures de surface aléatoires ; la question de savoir si une diffusion d'interface et de volume simultanée peut produire des résultats supérieurs reste ouverte.

Dans cette étude, nous étudions un assemblage de nanoparticules de TiO₂ ellipsoïdales structuré qui combine diffusion d'interface et de volume. Nous fabriquons plusieurs revêtements hybrides microstructurés, évaluons leurs spectres de réflectance diffuse et validons nos résultats par des simulations de différences finies dans le domaine temporel (FDTD), révélant un mécanisme qui supprime la réflexion spéculaire et favorise la diffusion isotrope.

Méthodes

Préparation des produits TiO₂

Les précurseurs de TiO₂ ont été synthétisés en ajoutant 12,5 mL de titanate de tétrabutyle à un mélange de 50 mL de H₂O₂ à 30 % en poids et 5 mL de NH₄OH à 26-28 % en poids sous agitation continue. De l'eau distillée froide a ensuite été introduite pour atteindre un volume total de 200 mL, donnant une solution jaune safran. Après filtration pour éliminer les particules non dissoutes, 10 mL du précurseur ont été transférés dans un récipient Téflon de 50 mL avec 10 mL d'eau et 20 mL d'éthanol absolu, scellés, et chauffés à 180 °C pendant 10 h. Le résidu résultant a été centrifugé, lavé à l'eau et à l'éthanol, et séché à 60 °C pendant 2 h. Pour les nanocristaux d'anatase, le volume de précurseur a été réduit à 5 mL.

Fabrication du revêtement nanocomposite hybride TiO₂

Les revêtements ont été déposés sur du verre à oxyde d'étain fluoré (FTO) par un processus en trois étapes : (1) synthèse de nanocristaux d'anatase TiO₂ ou d'assemblages via une voie solvothermique avec dosage de précurseur variable ; (2) dépôt de la boue de nanocristaux sur le substrat par une méthode doctor-blade en contrôlant l'épaisseur avec du ruban adhésif ; et (3) recuit post-dépôt à 450 °C (5 °C min⁻¹) pendant 30 min.

Caractérisation

La morphologie de surface a été examinée par microscopie électronique à balayage à émission de champ (MEB-CE, HITACHI S4800) et microscopie électronique à transmission (MET, Tecnai F30). La diffraction des rayons X (DRX) a été réalisée sur un diffractomètre Rigaku D/max-2500 (Cu Kα, λ = 0,1542 nm). La réflectance diffuse et la réflectance spéculaire dépendante de la polarisation ont été mesurées avec un spectrophotomètre Agilent Cary 5000 équipé d'une sphère intégrante de 110 mm et d'un accessoire à angle variable.

Résultats et discussion

Réflectance diffuse de quatre revêtements microstructurés

Quatre architectures de revêtement ont été fabriquées (Fig. 1) : nanocristal pur, mélange (mélange à poids égal de nanocristaux ellipsoïdaux et d'assemblages sphéroïdaux), bicouche (couche de nanocristal surmontée d'une couche d'assemblage) et assemblage sphéroïdal pur (nanosphère). Tous les revêtements avaient ~14 µm d'épaisseur ; la bicouche comprenait deux sous-couches de ~7 µm. Les images MEB (Fig. 1a-d) montrent des nanocristaux ellipsoïdaux (~20 nm) et des assemblages sphéroïdaux (~100 nm) organisés en sphères de ~100-600 nm avec un diamètre moyen de 330 nm (Fig. 3a).

Les spectres de réflectance diffuse (400-800 nm) sont présentés en Fig. 2a. Le mélange surpasse le nanocristal pur, tandis que la bicouche dépasse les deux, indiquant que les assemblages sphéroïdaux fournissent une diffusion supérieure. Le revêtement nanosphère pur atteint la réflectance moyenne la plus élevée (~55 %) sur la bande visible, bien qu'il chute en dessous de 50 % au-dessus de 700 nm en raison d'une diffusion plus faible des photons de basse énergie par les cellules unitaires relativement petites.

L'augmentation de la taille des nanocristaux et de l'épaisseur du revêtement augmente encore la réflectance. Les revêtements nanosphère optimisés de 8 µm dépassent 40 % de réflectance moyenne, restant élevés sur le spectre. Des revêtements plus épais (12 µm) atteignent jusqu'à 80 % de réflectance entre 550-800 nm, confirmant que la diffusion de volume au sein de la structure hybride complète la diffusion de surface pour piéger et rediriger la lumière.

Détails structuraux des revêtements nanosphère

Les images MEB et MET (Fig. 3b-d) révèlent que les sphères de 100-600 nm sont des assemblages mésoporeux de nanocristaux ellipsoïdaux multi-orientés (~10-30 nm). Les pointes en forme de fuseau et les surfaces irrégulières augmentent l'efficacité de diffusion. Les diagrammes DRX confirment la phase anatase (JCPDS 21-1271) avec des pics élargis dus à la distribution de taille (Fig. 3f).

Mécanisme de diffusion via simulations FDTD

Les modèles FDTD ont reproduit la géométrie expérimentale, utilisant des nanocristaux ellipsoïdaux (L = 60 nm, R = 30 nm) assemblés en sphères. Les cartes de champ électrique simulées (600 nm) montrent une diffusion uniforme et une résonance au sein des assemblages (Fig. 4b). À mesure que le nombre de couches augmente, la réflectance s'améliore nettement (Fig. 4c), corroborant la tendance expérimentale selon laquelle des revêtements hybrides plus épais augmentent la rétrodiffusion.

Réflectance spéculaire dépendante de la polarisation

La réflectivité spéculaire pour les revêtements nanosphère optimisés de 8 µm et 12 µm est restée en dessous de 2 % sur 400-700 nm, même à incidence oblique, confirmant une suppression de l'éblouissement à large bande, insensible à la polarisation (Fig. 5a-b). Au-dessus de 700 nm, une augmentation modeste se produit, probablement due aux effets de la nanotopographie de surface sur les photons de plus haute énergie. Important, la bande passante et l'amplitude de la réduction spéculaire sont largement indépendantes de la polarisation et de l'épaisseur, soulignant la robustesse de l'assemblage à orientation aléatoire.

Conclusions

Nous avons introduit une voie solvothermique peu coûteuse pour produire des revêtements microstructurés hybrides de TiO₂ qui combinent diffusion d'interface et de volume. En adaptant la taille des nanocristaux ellipsoïdaux au sein d'assemblages sphéroïdaux mésoporeux, nous avons atteint jusqu'à 80 % de réflectance diffuse de 550 à 800 nm et supprimé l'éblouissement spéculaire en dessous de 1,5 % sur 400-800 nm, indépendamment de l'angle ou de la polarisation. Ces revêtements démontrent un potentiel pour les réflecteurs diffus à haut rendement et les couches de gestion de la lumière dans les cellules solaires, les affichages et d'autres dispositifs photoniques.

Abréviations

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel