Una nueva microestructura de racimo de nanoconas con propiedades antirreflectantes y superhidrofóbicas para dispositivos fotovoltaicos

Resultados y discusión

La Figura 1 demuestra los procedimientos de fabricación de la microestructura del cúmulo de nanoconos. Se utilizó AAO en forma de V como plantilla. El agente antiadherente (GL-AAC, GermanLitho) se revistió por centrifugación sobre la plantilla AAO para facilitar los siguientes procedimientos. Luego, la solución de PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, relación 10:1) se vertió gota a gota sobre la plantilla en forma de V seguido de un proceso de desgasificación y luego se curó a 75 ° C durante 4 h, como mostrado en la Fig. 1b, c. La película de PDMS se despegó de la plantilla de AAO en forma de V después de que la muestra se enfriara a temperatura ambiente. Se pensó que la estructura era vertical, tal como se muestra en la Fig. 1d. Sin embargo, como el paso entre cada cono es muy pequeño y la altura es muy alta, las nanoconas se inclinarán hacia un lado y se agregarán juntas para reducir la energía de la superficie, formando así la microestructura del cúmulo de nanoconas (Fig. 1e). La agregación de nanoconas podría describirse en términos de dos procesos:percolación fractal y movimiento browniano general. Al principio, todas las partículas involucradas en las soluciones de PDMS se movían caóticamente sobre los puntos de la red en un movimiento browniano fractal. Cuando dos partículas se encontraron, formaron dobletes estables, perdieron su movilidad y se convirtieron en los núcleos de los agregados. Cuando las partículas errantes se acercaron a las células próximas a los agregados, fueron capturadas y se convirtieron en elementos del agregado. Por lo tanto, más y más partículas libres se unieron en un agregado y formaron una microestructura de racimo de nanoconas [22].

La Figura 2 representa las imágenes SEM de la plantilla AAO en forma de V y nanoconas PDMS con relaciones de aspecto de 1, 2 y 3 después del proceso de la plantilla. La figura 2a y el recuadro muestran la vista superior y la vista transversal de la plantilla con el paso y la altura de 450 y 900 nm, respectivamente. La Figura 2b-d muestra la imagen SEM de microestructuras de nanoconas con relaciones de aspecto de 1, 2 y 3. De las imágenes, podemos aprender que la morfología seguía siendo microestructuras de nanoconas separadas después del proceso de plantilla con plantilla de relación de aspecto 1. Figura 2c, d muestra la imagen de las microestructuras de grupos de nanoconos con relaciones de aspecto de 2 y 3 plantillas. La microestructura del racimo de nanoconas se compone de varias nanoconas, formando una estructura de racimo con buena hidrofobicidad y antirreflectancia. Se puede ver que alrededor de 6 a 8 nanoconos individuales se agregan para formar microestructuras de racimo de nanoconas con un diámetro de 950 nm y una altura de 650 nm, como se muestra en la Fig. 2c. Mientras que las microestructuras de racimo de nanoconas formadas en la Fig. 2d se componen de más de 10 nanoconas separadas. Los resultados obtenidos en las Fig. 2c, d se pueden explicar de la siguiente manera:la morfología de la estructura del PDMS está relacionada con la altura y el paso de la estructura. Al principio, el ángulo entre la estructura y el sustrato (lo llamamos ángulo de la pared lateral [20]) era vertical. A medida que aumenta la altura de la estructura, el ángulo de la pared lateral de la estructura también aumenta porque los nanoconos alejados del origen de la estructura se inclinan más fácilmente [20]. Y debido al pequeño paso de la estructura, los nanoconos inclinados comienzan a agregarse para formar microestructuras de racimo de nanoconos.

Para investigar las propiedades ópticas de la película estampada, se midieron los espectros de reflectancia óptica y transmitancia a incidencia normal y también se probó la película PDMS plana como referencia, como se muestra en la Fig. 3. Aparentemente, la reflectancia de la película estampada se redujo significativamente en comparación con la película PDMS plana en una amplia gama de longitudes de onda. Las muestras con una relación de aspecto de nanocone de 2 presentan un excelente rendimiento antirreflectante con una reflectancia inferior al 3,5% en un rango de longitud de onda de 400 a 1100 nm [4], mientras que la reflectancia se mantiene por debajo de 5 y 4,5% para una relación de aspecto de nanocone de 1 y 3 , respectivamente. La baja reflectancia de la película estampada se origina por el cambio gradual en el índice de refracción entre el aire y las superficies de PDMS obtenido por las microestructuras de racimo de nanoconas [23, 24]. Y esta también es la evidencia que demuestra que la microestructura de los cúmulos de nanoconos agregados tiene un mejor rendimiento en la reducción de la reflexión que los nanoconos separados.

Mediciones de reflectancia y transmitancia de las películas de PDMS con y sin microestructuras de racimo de nanoconas

La Figura 3 también muestra la transmitancia de películas PDMS con y sin nanoestructuras medida en función de la longitud de onda. De la Fig. 3, podemos aprender que la reflectancia de la superficie de la película PDMS con microestructuras de racimo de nanoconas mantiene valores de transmitancia más altos en un rango de longitud de onda larga en comparación con las películas PDMS planas. Las películas PDMS con una relación de aspecto de 2 muestran la mejor transmisión de luz en la longitud de onda larga. Esto se debe a que las nanoconas de mayor relación de aspecto proporcionarán un gradiente más suave de índice de refracción efectivo, aumentarán la dispersión de la luz y suprimirán la reflectancia del lado frontal. Sin embargo, una estructura de relación de aspecto demasiado alta tiene un área de superficie específica más baja, lo que no es bueno para la transmitancia de la luz. Es por eso que elegimos películas PDMS con relación de aspecto 2 para estudios adicionales.

La Figura 4 muestra las CA de agua de películas de PDMS con diferentes proporciones de aspecto de nanoconos. La película plana muestra propiedades hidrofóbicas con un CA de agua de 105 ° debido a las grandes energías de enlace de C – H [25]. Las películas con micro / nanoestructuras mejorarían las características hidrofóbicas con CA más grandes en comparación con las planas [5]. Es más fácil ver que el ángulo de contacto aumenta primero y luego disminuye con el aumento de la relación de aspecto de los nanoconos, y las películas con una relación de aspecto de 2 nanoconos muestran un ángulo de contacto de hasta 151 °, lo que satisface la condición crítica de superhidrofobicidad (Fig.4). Y del histograma, también podemos aprender que las microestructuras de racimo de nanoconas agregadas tienen CA mayores que las microestructuras de nanoconas separadas. La Figura 5 muestra gotas de agua en una gran superficie de las películas de PDMS superhidrofóbicas, demostrando también una superhidrofobicidad superior. Este fenómeno puede explicarse mediante la ecuación de Cassie [20, 26,27,28]:

$$ {\ mathrm {cos} \ uptheta} _ {\ gamma} ={f} _1 \ cos {\ theta} _1- {f} _2 $$

Los ángulos de contacto con el agua de las películas PDMS con diferentes proporciones

Gotas de agua en una gran superficie de la película de PDMS superhidrofóbica

Aquí, θ _γ y θ ₁ representan el CA de las películas PDMS con y sin estructuras superficiales. Entonces, θ _γ =151 ° y θ ₁ =105 °. f ₁ es la relación entre el área de la estructura de la superficie en una interfaz sólido-líquido, y f ₂ es la fracción de área del aire en la interfaz sólido-líquido.

Además,

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

Podemos calcular que f ₁ es 0,169 y f ₂ es 0,831.

Del cálculo anterior, podemos aprender que las gotas de agua están principalmente en contacto con el aire en la interfaz sólido-líquido, por lo que la microestructura de racimo de nanoconos que preparamos tiene un excelente rendimiento hidrofóbico. La hidrofobicidad mejorada también mejoró significativamente el efecto de autolimpieza y la propiedad repelente al agua, lo que reduce enormemente el costo de limpieza del dispositivo y lo convierte en un buen candidato en aplicaciones de dispositivos fotovoltaicos [4, 5, 28].

De la sección anterior “Resultados y discusión”, podemos aprender que la microestructura del cúmulo de nanoconos agregados exhibe una reflectancia más baja y CA más grandes en comparación con la microestructura de nanoconos separados. Esto también es consistente con la conclusión reportada en la literatura [20]. Hasta ahora, la microestructura de las nanoconas se puede transferir a otros sustratos como el silicio y el zafiro. Y se ha aplicado a dispositivos fotovoltaicos. Dado que la morfología de la microestructura del racimo de nanoconas es difícil de controlar durante el proceso de transferencia, es difícil transferir este tipo de microestructura del racimo a otros sustratos en la actualidad. Pero con el desarrollo de las instalaciones de nanofabricación, la estructura se puede utilizar en varios campos a través de tecnologías como la litografía por nanoimpresión y la litografía por haz de electrones.

Conclusiones

En resumen, hemos demostrado un nuevo tipo de microestructura de racimo de nanoconas preparada en un sustrato de PDMS mediante el uso de un proceso de plantilla simple. Esta nueva microestructura de racimo de nanoconos puede mejorar significativamente la transmitancia de la luz y reducir la reflexión de la luz, mejorando así el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. En todo el rango de la banda visible, cuando la luz incidente estaba en el ángulo normal, la microestructura del grupo de nanoconos reduce efectivamente la reflectividad de la luz, de modo que permanece por debajo del 3,5%. Además, este tipo de nanoestructura de racimo mostró una excelente propiedad hidrófoba y capacidad de autolimpieza ya que el CA es de 151 °. Estos resultados sugieren que este tipo de películas delgadas de PDMS nanoestructuradas desarrolladas aquí es un candidato ideal para futuros dispositivos optoelectrónicos y de recolección de energía de alto rendimiento y bajo costo [29].

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

AAO:

Óxido de aluminio anodizado

AR:

Relación de aspecto

CA:

Ángulo de contacto

PDMS:

Polidimetilsiloxano

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

Nanoscopía basada en microscopía de fuerza atómica de células madre derivadas de tejido adiposo humano que se diferencian condrogenicamente:nanoestructura e integrina expresión β1 Cambio espectral rojo en la detección colorimétrica sensible de la tuberculosis por el complejo antígeno-anticuerpo ESAT-6:una nueva estrategia con nanopartículas de oro