Sebuah Struktur Mikro Cluster Nanocone Baru dengan Sifat Anti-refleksi dan Superhidrofobik untuk Perangkat Fotovoltaik
Abstrak
Karena struktur nano tiga dimensi (3D) dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas penyerapan foton, ini banyak digunakan di berbagai perangkat fotovoltaik. Namun, proses persiapan yang mahal dan kompleks dari struktur nano 3D tradisional sangat membatasi perkembangannya. Dalam makalah ini, tipe baru mikrostruktur kluster nanocone disiapkan pada substrat polydimethylsiloxane (PDMS) dengan menggunakan proses template sederhana. Struktur mikro cluster nanocone baru ini dapat secara signifikan meningkatkan transmisi cahaya dan mengurangi pantulan cahaya, menunjukkan sifat anti-refleksi yang unggul. Di seluruh rentang pita tampak, struktur mikro cluster nanocone secara efektif mengurangi reflektifitas cahaya, sehingga tetap di bawah 3,5%. Selain itu, struktur mikro klaster semacam ini menunjukkan sifat superhidrofobik dan kemampuan membersihkan diri yang sangat baik dengan sudut kontak 151°.
Pengantar
Perangkat fotovoltaik adalah kandidat yang menjanjikan untuk energi surya terbarukan dan berkelanjutan [1]. Tetapi koefisien penyerapan cahaya yang rendah dan efisiensi perangkat yang rendah sangat membatasi perkembangannya. Film anti-refleksi (AR) [2, 3], yang menggunakan strategi manajemen cahaya untuk mengurangi refleksi dalam lapisan bahan aktif yang relatif tipis, dianggap sebagai cara yang efektif untuk perangkat fotovoltaik [4, 5]. Sifat AR dapat dicapai dengan memperkenalkan mikro/struktur nano pada film datar [4]. Sejauh ini, berbagai struktur anti-refleksi telah dilaporkan, seperti nanoholes [6,7,8], nanowires [9], nanoparticles [10], dan nanocones [11, 12].
Sifat superhidrofobik adalah bahan utama lain untuk menentukan efisiensi perangkat fotovoltaik. Menurut laporan tersebut, efisiensi sel surya bisa turun 50% karena akumulasi debu setiap tahun [4, 13]. Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengusulkan metode untuk menjaga permukaan perangkat fotovoltaik tidak ternoda [4]. Permukaan superhidrofobik memiliki sifat pembersihan diri yang baik, yang dapat digunakan untuk menghilangkan kontaminan yang tidak diinginkan dari permukaan perangkat fotovoltaik dengan mudah [14], cara yang ekonomis untuk memecahkan masalah yang disebutkan di atas.
Namun, sulit untuk mengembangkan film berstrukturnano dengan sifat anti-refleksi dan sifat superhidrofobik pada saat yang bersamaan. Karena sifat superhidrofobik yang khas biasanya dicapai pada permukaan yang kasar. Sementara itu, permukaan berstruktur kasar sering mengalami efek hamburan atau difraksi yang kuat, sehingga menyebabkan hilangnya cahaya yang besar [4, 15]. Oleh karena itu, penelitian tentang film multifungsi dengan sifat superhydrophobic dan anti-refleksi jarang dilaporkan. Pada tahun 2012, Kyu Kembali Lee dkk. [14] membuat struktur nano dengan metode RIE pada permukaan kuarsa dengan kemampuan membersihkan diri dan anti-reflektifitas. Di sini, mereka menggunakan kuarsa sebagai substrat, yang tidak fleksibel dan biaya proses RIE juga sangat tinggi. Pada tahun 2017, Fan dkk. [16] menyajikan film anti-refleksi array nanocone dengan superhydrophobicity superior, tetapi reflektansi dalam panjang gelombang panjang tidak memuaskan. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengembangkan film struktur nano fleksibel yang ramah lingkungan dan sederhana dengan sifat anti-refleksi dan superhidrofobik [4].
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan tipe baru struktur mikro cluster nanocone yang disiapkan pada substrat PDMS dengan menggunakan proses templat sederhana. Struktur mikro cluster nanocone baru ini dapat secara signifikan meningkatkan transmisi cahaya dan mengurangi reflektifitas cahaya, yang dapat digunakan dalam perangkat fotovoltaik untuk meningkatkan efisiensi. Sementara itu, ia memiliki sifat superhidrofobik yang unggul, dengan sudut kontak air (CA) 151°. Properti unik ini mengarah pada fungsi pembersihan sendiri dan fitur anti air [16]. Selain itu, PDMS adalah bahan yang ramah lingkungan, fleksibel, dan sangat transparan, yang juga bagus untuk meningkatkan transmisi cahaya [4, 17].
Metode
Persiapan Mikrostruktur Cluster Nanocone
Template anodized aluminium oxide (AAO) dapat diperoleh dengan anodisasi bertingkat menggunakan larutan asam dan tegangan DC yang tepat, diikuti dengan proses etsa basah [11, 16, 18, 19]. Di sini, kami menggunakan tiga templat dengan rasio aspek yang berbeda (AR, yang ditentukan oleh ketinggian nanocone selama periodisitas) 1, 2, dan 3 untuk menyelidiki pengaruh ukuran nanocone pada kinerjanya. Pitch template adalah 450 nm, dan tingginya 450 nm, 900 nm, dan 1350 nm sesuai dengan rasio aspek 1, 2, dan 3. Pitch kecil dari template bermanfaat untuk persiapan struktur cluster karena pitch yang lebih kecil menghasilkan rasio aspek yang lebih besar. Struktur dengan aspek rasio yang lebih besar biasanya memiliki energi sistem yang besar. Untuk menjaga stabilitas struktur, sebagian energi sistem akan dilepaskan selama proses pemeraman [20]. Dengan demikian, nanocone tunggal lebih mudah untuk dimiringkan dan digabungkan bersama untuk membentuk struktur mikro cluster nanocone setelah pengeringan. Template AAO dibersihkan dengan aseton, etanol, dan air suling, diikuti dengan spin coating anti lengket (GL-AAC, GermanLitho). Kemudian, larutan PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, rasio 10:1) diteteskan pada template berbentuk V dan sampel dipompa dalam wadah vakum untuk menghilangkan gelembung udara dalam pelarut PDMS. , diikuti dengan proses pengawetan pada 75 °C selama 4 jam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, c [16]. Terakhir, film nanocone PDMS dengan ketebalan 0,3 mm dikupas langsung dari template AAO bentuk-V saat sampel didinginkan hingga suhu kamar. Karena pitch antara masing-masing kerucut sangat kecil dan tingginya sangat tinggi, nanocone akan condong ke samping pada saat film PDMS terkelupas dari template, menghasilkan 6-8 kerucut bergabung bersama dan membentuk mikrostruktur cluster nanocone setelah pengeringan (Gbr. 2c).
a –e Proses fabrikasi skema mikrostruktur kluster nanocone
Gambar SEM dari a Template AAO bentuk-V dan b –d Nanocone PDMS dengan rasio aspek 1, 2, dan 3
Karakterisasi
Analisis morfologi produk yang disiapkan ditandai dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA) [21]. Kinerja hidrofobik produk diukur dengan penguji sudut kontak air JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus Co., Ltd., Shanghai, China). Sifat optik diukur dengan spektrofotometer Varian Cary5E dalam kisaran 400–1100 nm.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan prosedur fabrikasi struktur mikro cluster nanocone. V-shape AAO digunakan sebagai template. Agen anti lengket (GL-AAC, GermanLitho) dilapisi dengan spin pada template AAO untuk membuat prosedur berikut lebih mudah. Kemudian, larutan PDMS (GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, rasio 10:1) diteteskan pada template bentuk-V diikuti dengan proses degassing dan kemudian dikeringkan pada suhu 75 °C selama 4 jam, sebagai ditunjukkan pada Gambar. 1b, c. Film PDMS dikupas dari templat AAO bentuk-V setelah sampel mendingin hingga suhu kamar. Strukturnya dianggap vertikal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d. Namun, karena pitch antara masing-masing kerucut sangat kecil dan tingginya sangat tinggi, nanocone akan condong ke samping dan berkumpul bersama untuk mengurangi energi permukaan, sehingga membentuk mikrostruktur kluster nanocone (Gbr. 1e). Agregasi nanocones dapat digambarkan dalam dua proses:perkolasi fraktal dan gerakan Brown umum. Pada awalnya, semua partikel yang terlibat dalam larutan PDMS bergerak secara kacau di atas titik kisi dalam gerakan Brown fraktal. Ketika dua partikel bertemu, mereka membentuk doublet yang stabil, kehilangan mobilitasnya, dan menjadi inti untuk agregat. Ketika partikel pengembara mendekati sel di sebelah agregat, mereka ditangkap dan menjadi elemen agregat. Dengan demikian, semakin banyak partikel bebas yang terikat menjadi agregat dan membentuk struktur mikro cluster nanocone [22].
Gambar 2 mewakili gambar SEM dari template AAO bentuk-V dan nanocone PDMS dengan rasio tinggi lebar 1, 2, dan 3 setelah proses template. Gambar 2a dan sisipan menunjukkan tampilan atas dan tampilan silang dari template dengan pitch dan tinggi masing-masing 450 dan 900 nm. Gambar 2b–d menampilkan citra SEM mikrostruktur nano dengan aspek rasio 1, 2, dan 3. Dari gambar tersebut, kita dapat mempelajari bahwa morfologi mikrostruktur nano masih terpisah setelah proses template dengan template rasio aspek 1. Gambar 2c, d menunjukkan gambar struktur mikro cluster nanocone dengan rasio aspek 2 dan 3 template. Struktur mikro cluster nanocone terdiri dari beberapa nanocone, membentuk struktur cluster dengan hidrofobisitas yang baik dan anti-reflektansi. Dapat dilihat bahwa sekitar 6-8 nanocone tunggal bergabung bersama untuk membentuk struktur mikro cluster nanocone dengan diameter 950 nm dan tinggi 650 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Sementara struktur mikro cluster nanocone yang terbentuk pada Gambar. 2d terdiri dari lebih dari 10 nanocone terpisah. Hasil yang diperoleh pada Gambar 2c, d dapat dijelaskan sebagai berikut:morfologi struktur PDMS berhubungan dengan tinggi dan tinggi (pitch) struktur. Pada awalnya, sudut antara struktur dan substrat (kami menyebutnya sudut dinding samping [20]) adalah vertikal. Dengan bertambahnya ketinggian struktur, sudut dinding samping struktur juga meningkat karena nanocone yang jauh dari asal struktur lebih mudah dimiringkan [20]. Dan karena nada struktur yang kecil, nanocone yang condong mulai berkumpul bersama untuk membentuk struktur mikro cluster nanocone.
Untuk menyelidiki sifat optik film berpola, reflektansi optik dan spektrum transmisi diukur pada kejadian normal dan film PDMS datar juga diuji untuk referensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Rupanya, reflektansi film berpola berkurang secara signifikan dibandingkan dengan film PDMS datar dalam rentang panjang gelombang yang luas. Sampel dengan rasio aspek nanocone 2 menunjukkan kinerja anti-refleksi yang sangat baik dengan reflektansi di bawah 3,5% dalam rentang panjang gelombang 400-1100 nm [4], sedangkan reflektansi tetap di bawah 5 dan 4,5% untuk rasio aspek nanocone 1 dan 3 , masing-masing. Reflektansi rendah dari film berpola berasal dari perubahan bertahap dalam indeks bias antara udara dan permukaan PDMS yang diperoleh oleh struktur mikro cluster nanocone [23, 24]. Dan ini juga merupakan bukti yang menunjukkan bahwa struktur mikro cluster nanocone agregat memiliki kinerja yang lebih baik dalam mengurangi refleksi daripada nanocone terpisah.
Pengukuran reflektansi dan transmitansi film PDMS dengan dan tanpa struktur mikro cluster nanocone
Gambar 3 juga menampilkan transmitansi film PDMS dengan dan tanpa struktur nano yang diukur sebagai fungsi panjang gelombang. Dari Gbr. 3, kita dapat mempelajari bahwa reflektansi permukaan film PDMS dengan struktur mikro cluster nanocone mempertahankan nilai transmitansi yang lebih tinggi dalam rentang panjang gelombang panjang dibandingkan dengan film PDMS datar. Film PDMS dengan rasio aspek 2 menunjukkan transmisi cahaya terbaik dalam panjang gelombang panjang. Ini karena nanocone dengan rasio aspek yang lebih tinggi akan memberikan gradien indeks bias efektif yang lebih halus, meningkatkan hamburan cahaya, dan menekan reflektansi sisi depan. Namun, struktur rasio aspek yang terlalu tinggi memiliki luas permukaan spesifik yang lebih rendah, yang tidak baik untuk transmisi cahaya. Itu sebabnya kami memilih film PDMS dengan rasio aspek 2 untuk studi lebih lanjut.
Gambar 4 menunjukkan CA air dari film PDMS dengan rasio aspek nanocone yang berbeda. Film datar menunjukkan sifat hidrofobik dengan CA air 105° karena energi ikatan C–H yang besar [25]. Film dengan struktur mikro/nano akan meningkatkan karakteristik hidrofobik dengan CA yang lebih besar dibandingkan dengan yang datar [5]. Lebih mudah untuk melihat bahwa sudut kontak meningkat terlebih dahulu dan kemudian menurun dengan meningkatnya rasio aspek nanocone, dan film dengan rasio aspek 2 nanocone menunjukkan sudut kontak hingga 151°, yang memenuhi kondisi kritis superhidrofobisitas (Gbr. 4). Dan dari histogram, kita juga dapat mempelajari bahwa mikrostruktur kluster nanokonon agregat memiliki CA yang lebih besar daripada mikrostruktur nanokonon yang terpisah. Gambar 5 menampilkan tetesan air pada permukaan besar film PDMS superhidrofobik, juga menunjukkan superhidrofobisitas yang unggul. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan persamaan Cassie [20, 26,27,28]:
Sudut kontak air film PDMS dengan rasio aspek berbeda
Tetesan air pada permukaan besar film PDMS superhidrofobik
Di sini, γ dan 1 mewakili CA film PDMS dengan dan tanpa struktur permukaan. Jadi, θγ = 151°dan θ1 = 105 °. f1 adalah rasio luas struktur permukaan pada antarmuka padat-cair, dan f2 adalah fraksi luas udara pada antarmuka padat-cair.
Selain itu,
$$ {f}_1+{f}_2=1. $$
Kita bisa menghitung f1 adalah 0,169 dan f2 adalah 0,831.
Dari perhitungan di atas, kita dapat mempelajari bahwa tetesan air terutama bersentuhan dengan udara di antarmuka padat-cair, itulah sebabnya mikrostruktur kluster nanocone yang kami siapkan memiliki kinerja hidrofobik yang sangat baik. Hidrofobisitas yang ditingkatkan juga meningkatkan efek pembersihan sendiri dan sifat anti air secara signifikan, yang sangat mengurangi biaya pembersihan perangkat dan menjadikannya kandidat yang baik dalam aplikasi perangkat fotovoltaik [4, 5, 28].
Dari bagian “Hasil dan Diskusi” di atas, kita dapat mempelajari bahwa mikrostruktur kluster nanokonon agregat menunjukkan reflektansi yang lebih rendah dan CA yang lebih besar dibandingkan dengan mikrostruktur nanokonon yang terpisah. Hal ini juga konsisten dengan kesimpulan yang dilaporkan dalam literatur [20]. Sejauh ini, struktur mikro nanocone dapat ditransfer ke substrat lain seperti silikon dan safir. Dan itu telah diterapkan pada perangkat fotovoltaik. Karena morfologi struktur mikro cluster nanocone sulit dikendalikan selama proses transfer, sulit untuk mentransfer struktur mikro cluster semacam ini ke substrat lain saat ini. Namun dengan berkembangnya fasilitas nanofabrication, struktur tersebut dapat digunakan di berbagai bidang melalui teknologi seperti nanoimprint lithography dan electron beam lithography.
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah mendemonstrasikan tipe baru mikrostruktur kluster nanocone yang disiapkan pada substrat PDMS dengan menggunakan proses templat sederhana. Struktur mikro cluster nanocone baru ini dapat secara signifikan meningkatkan transmisi cahaya dan mengurangi pantulan cahaya, sehingga meningkatkan kinerja perangkat fotovoltaik. Di seluruh rentang pita tampak, ketika insiden cahaya berada pada sudut normal, struktur mikro cluster nanocone secara efektif mengurangi reflektifitas cahaya, sehingga tetap di bawah 3,5%. Selain itu, struktur nano kluster semacam ini menunjukkan sifat hidrofobik dan kemampuan membersihkan diri yang sangat baik karena CA adalah 151°. Hasil ini menunjukkan bahwa jenis film tipis PDMS berstrukturnano yang dikembangkan di sini adalah kandidat ideal untuk pengumpulan energi berkinerja tinggi dan perangkat optoelektronik berbiaya rendah di masa depan [29].
