Klaster Nanokon PDMS Biaya Rendah untuk Reflektansi Sel Surya Sangat Rendah dan Pembersihan Mandiri Superhidrofobik
Abstrak
Struktur nanostruktur tiga dimensi banyak diadopsi untuk meningkatkan penyerapan foton dalam perangkat fotovoltaik, namun produksinya seringkali menyebabkan biaya dan kompleksitas yang tinggi. Di sini kami menyajikan metode berbasis template yang sederhana untuk menciptakan mikrostruktur klaster nanokon baru pada substrat polidimetilsiloksen (PDMS). Permukaan yang dihasilkan memberikan anti-refleksi yang luar biasa, mempertahankan reflektivitas di bawah 3,5 % di seluruh spektrum visibel, dan mencapai sudut kontak air 151°, yang mengonfirmasi superhidrofobisitas dan kemampuan pembersihan mandiri. Keuntungan optik dan kelembaban yang digabungkan ini membuat klaster nanokon menjadi tambahan yang menjanjikan, berbiaya rendah, dan berkinerja tinggi untuk sel surya generasi mendatang.
Pendahuluan
Fotovoltaik surya adalah pusat dalam transisi menuju energi terbarukan, namun efisiensinya seringkali terbatas oleh penyerapan cahaya yang tidak optimal dan kotoran permukaan. Lapisan anti-refleksi (AR) mengurangi kerugian refleksi dengan memanipulasi gradien indeks bias di seluruh permukaan perangkat [2,3]. Lapisan AR mikro- dan nanostruktur—seperti nanolubang, nanonawa, nanopartikel, dan nanokon—telah dieksplorasi secara luas [4–12]. Secara bersamaan, superhidrofobisitas sangat penting untuk mempertahankan performa perangkat, karena acumulasi debu dapat mengurangi efisiensi hingga 50 % secara tahunan [4,13]. Permukaan hidrofobik yang membersihkan sendiri menghilangkan kontaminan secara ekonomis [14]. Namun, mengintegrasikan AR yang efisien tinggi dan superhidrofobisitas yang kuat dalam satu film fleksibel tetap menjadi tantangan, karena kekasaran yang mempromosikan kelembaban seringkali memperkenalkan kerugian pencaran.
Karya sebelumnya telah menunjukkan AR dan struktur nano superhidrofobik pada substrat kaku (misalnya, kuarsa) menggunakan etching ion reaktif (RIE) [14], atau mencapai hidrofobisitas yang unggul dengan performa AR yang terbatas dalam regime gelombang panjang [16]. Ada kebutuhan yang jelas akan pendekatan yang ramah lingkungan, fleksibel, dan berbiaya rendah yang menyediakan kedua fungsi tersebut. Dalam studi ini, kami melaporkan klaster nanokon berbasis PDMS yang diproduksi melalui proses template sederhana yang memenuhi kriteria ini.
Metode
Persiapan Mikrostruktur Klaster Nanokon
Kami menggunakan template oksida aluminium anodis (AAO) yang diproduksi melalui anodisasi multi-langkah dan etching basah untuk menentukan geometri nanokon. Tiga template dengan rasio aspek (AR = tinggi/jarak) 1, 2, dan 3 diproduksi, yang sesuai dengan tinggi 450 nm, 900 nm, dan 1350 nm dan jarak konstan 450 nm. Jarak yang lebih kecil mendorong agregasi selama pengeringan, menghasilkan morfologi klaster yang diinginkan.
Setelah membersihkan AAO dengan aseton, etanol, dan air destilasi, lapisan anti-sesak (GL-AAC, GermanLitho) diapilas dengan spin-coating. PDMS (GL-ML CURE/GL-ML BASE, rasio 10:1) dicampur tumpah pada template, di-degas dalam ruang vakum, dan dikering pada 75 °C selama 4 jam (Gambar 1b,c). Setelah pendingin, film PDMS dikupas dari template, menghasilkan film tebal 0,3 mm yang menunjukkan nanokon yang miring dan mengagregasi—membentuk mikrostruktur klaster—karena pengurangan energi permukaan selama pengeringan (Gambar 1e).
a–e Proses produksi skematis mikrostruktur klaster nanokon
Karakterisasi
Morfologi permukaan diperiksa oleh mikroskop elektron pemindai (SEM, FEI NanoSEM650). Hidrofobisitas dikuantifikasi dengan penguji sudut kontak air JC2000D (Zhongchen Digital Technic Apparatus). Performa optik diukur pada spektrofotometer Varian Cary5E pada rentang 400–1100 nm.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 mengilustrasikan langkah-langkah produksi, mengonfirmasi orientasi vertikal nanokon sebelum agregasi. Mekanisme agregasi mengikuti perkolasi fraktal dan gerakan Brown, di mana konsep individu bergabung menjadi klaster untuk menurunkan energi permukaan [22].
Citra SEM dari a template AAO berbentuk V dan b–d nanokon PDMS dengan rasio aspek 1, 2, dan 3
Template rasio aspek-2 menghasilkan klaster 6–8 konsep (≈950 nm diameter, 650 nm tinggi), sementara template rasio aspek-3 menghasilkan klaster yang lebih besar (>10 konsep). Agregasi didorong oleh peningkatan sudut sisi saat tinggi tumbuh, yang mendorong konsep yang berdekatan untuk bersandar satu sama lain.
Pengukuran optik (Gambar 3) mengungkapkan bahwa film yang difungsikan unggul dibandingkan PDMS datar di seluruh spektrum visibel. Klaster rasio aspek-2 mencapai reflektansi di bawah 3,5 % dari 400 hingga 1100 nm, sementara klaster rasio aspek-1 dan –3 menunjukkan reflektansi <5 % dan <4,5 %, masing-masing. Gradien indeks bias yang diciptakan oleh klaster secara efektif menekan refleksi sisi depan [23,24]. Transmisi juga lebih tinggi untuk film rasio aspek-2 pada panjang gelombang panjang, karena gradien indeks yang lebih halus yang menyeimbangkan pencaran dan transmisi.
Pengukuran reflektansi dan transmisi film PDMS dengan dan tanpa mikrostruktur klaster nanokon
Uji kelembaban (Gambar 4) menunjukkan bahwa PDMS datar sedang hidrofobik (105°). Memperkenalkan struktur nano meningkatkan sudut kontak, mencapai puncak 151° untuk klaster rasio aspek-2, memenuhi ambang 150° untuk superhidrofobisitas. Klaster yang diagregasi unggul dibandingkan konsep terisolasi karena mereka menangkap lebih banyak udara (f₂ = 0,831) dan mengurangi fraksi kontak padat (f₁ = 0,169) menurut model Cassie [20,26–28]. Efek pembersihan mandiri yang dihasilkan terlihat pada Gambar 5, di mana titik air menggelinding dengan bersih, mengangkat partikel debu.
Sudut kontak air film PDMS dengan berbagai rasio aspek
Titik air pada permukaan besar film PDMS superhidrofobik
Hasil ini mengonfirmasi bahwa klaster nanokon yang diagregasi memberikan performa optik dan kelembaban yang unggul dibandingkan nanokon terisolasi. Meskipun transfer ke substrat kaku (silikon, safir) saat ini terbatas oleh stabilitas klaster, kemajuan dalam nanoimprint dan litografi balok elektron dapat mengaktifkan aplikasi yang lebih luas.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan produksi berbasis template yang mudah dari klaster nanokon PDMS yang secara bersamaan memberikan reflektansi di bawah 3,5 % di seluruh band visibel dan sudut kontak air 151°. Dua atribut ini—kehilangan optik sangat rendah dan superhidrofobisitas pembersihan mandiri—menempatkan klaster nanokon sebagai lapisan fleksibel yang biaya rendah untuk perangkat fotovoltaik dan optoelektronik yang efisien tinggi [29].
