3차원(3D) 나노구조는 광자의 흡수능을 크게 향상시킬 수 있어 다양한 태양광 소자에 널리 사용된다. 그러나, 전통적인 3D 나노구조의 고비용 및 복잡한 준비 과정은 개발을 크게 제한했습니다. 이 논문에서는 간단한 템플릿 공정을 사용하여 PDMS(Polydimethylsiloxane) 기판 위에 새로운 유형의 나노콘 클러스터 미세 구조를 준비했습니다. 이 새로운 나노 콘 클러스터 미세 구조는 광 투과율을 크게 향상시키고 광 반사를 감소시켜 우수한 반사 방지 특성을 나타냅니다. 가시 대역의 전체 범위에서 나노콘 클러스터 미세 구조는 빛의 반사율을 효과적으로 줄여 3.5% 미만으로 유지됩니다. 또한, 이러한 종류의 클러스터 미세구조는 151°의 접촉각으로 우수한 초소수성 특성과 자체 세정 능력을 보였다.
소개
광전지 장치는 재생 가능하고 지속 가능한 태양 에너지의 유망한 후보입니다[1]. 그러나 장치의 낮은 광 흡수 계수와 낮은 효율은 개발을 크게 제한합니다. 빛 관리 전략을 사용하여 활성 물질의 상대적으로 얇은 층 내에서 반사를 줄이는 반사 방지(AR) 필름[2, 3]은 광전지 장치에 대한 효과적인 방법으로 간주됩니다[4, 5]. AR 속성은 평평한 필름에 마이크로/나노구조를 도입하여 얻을 수 있습니다[4]. 지금까지 나노홀[6,7,8], 나노와이어[9], 나노입자[10], 나노콘[11, 12]과 같은 다양한 반사 방지 구조가 보고되었습니다.
초소수성은 태양광 장치의 효율을 결정하는 또 다른 핵심 요소입니다. 보고서에 따르면 태양전지의 효율은 매년 50%씩 감소할 수 있다고 한다[4, 13]. 따라서 태양광 소자의 표면을 오염되지 않게 유지하는 방법을 제안하는 것이 매우 바람직하다[4]. 초소수성 표면은 자체 세척성이 우수하여 태양광 발전 장치의 표면에서 원하지 않는 오염 물질을 쉽게 제거하는 데 사용할 수 있습니다[14]. 이는 위에서 언급한 문제를 해결하는 경제적인 방법입니다.
그러나, 반사방지성과 초소수성을 동시에 가지는 나노구조의 필름을 개발하기는 어렵다. 전형적인 초소수성 특성은 일반적으로 거친 표면에서 달성되기 때문입니다. 한편, 거친 구조의 표면은 종종 강한 산란 또는 회절 효과로 인해 큰 빛 손실을 유발합니다[4, 15]. 따라서 초소수성 및 반사 방지 특성을 갖는 다기능 필름에 대한 연구는 거의 보고되지 않는다. 2012년 이규백 외. [14] 자기 세척성과 반사 방지성을 가진 석영 표면에 RIE 방법으로 나노 구조를 제작했습니다. 여기에서 기판으로 석영을 사용했는데, 이는 유연하지 않고 RIE 공정 비용도 매우 높았다. 2017년 Fan et al. [16]은 초소수성이 우수한 나노콘 어레이 반사방지막을 제시하였으나 장파장에서의 반사율은 만족스럽지 못하였다. 따라서 반사방지 및 초소수성을 지닌 친환경적이고 단순한 가요성 나노구조 필름의 개발이 필수적이다[4].
이 논문에서 우리는 간단한 템플릿 프로세스를 사용하여 PDMS 기판에 준비된 새로운 유형의 나노 원뿔 클러스터 미세 구조를 시연했습니다. 이 새로운 나노콘 클러스터 미세구조는 광 투과율을 크게 향상시키고 광반사율을 감소시킬 수 있으며, 이는 효율을 개선하기 위해 광전지 장치에 사용할 수 있습니다. 한편, 물 접촉각(CA)이 151°로 우수한 초소수성을 가지고 있습니다. 이 독특한 속성은 자동 청소 기능과 발수 기능으로 이어집니다[16]. 또한 PDMS는 친환경적이고 유연하며 투명도가 높은 소재로 광투과율 향상에도 좋다[4, 17].
방법
나노콘 클러스터 미세구조의 준비
양극 산화 알루미늄 산화물(AAO) 템플릿은 산성 용액과 적절한 DC 전압을 사용한 다단계 양극 산화 후 습식 에칭 공정을 거쳐 얻을 수 있습니다[11, 16, 18, 19]. 여기서 우리는 성능에 대한 나노콘 크기의 영향을 조사하기 위해 1, 2 및 3의 서로 다른 종횡비(AR, 주기에 대한 나노콘의 높이로 정의됨)를 가진 3개의 템플릿을 사용했습니다. 템플릿의 피치는 450nm, 높이는 450nm, 900nm, 1350nm로 1, 2, 3의 종횡비에 해당합니다. 템플릿의 작은 피치는 클러스터 구조 준비에 유리하기 때문에 더 작은 피치는 더 큰 종횡비로 이어집니다. 더 큰 종횡비를 가진 구조는 일반적으로 막대한 시스템 에너지를 소유합니다. 구조의 안정성을 유지하기 위해 시스템 에너지의 일부는 경화 과정에서 방출됩니다[20]. 따라서, 단일 나노콘은 건조 후 나노콘 클러스터 미세구조를 형성하기 위해 함께 기울어지고 응집되기가 더 쉬웠다. AAO 템플릿을 아세톤, 에탄올, 증류수로 세척한 후 점착 방지제(GL-AAC, GermanLitho)를 스핀 코팅했습니다. 그런 다음 PDMS 용액(GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, 10:1 비율)을 V자형 템플릿에 드롭 캐스팅하고 샘플을 진공 용기에 펌핑하여 PDMS 용매의 기포를 제거했습니다. , 그림 1b, c와 같이 75°C에서 4시간 동안 경화 공정이 뒤따릅니다[16]. 마지막으로 샘플이 실온으로 냉각되면 두께가 0.3mm인 PDMS 나노콘 필름을 V자형 AAO 템플릿에서 직접 벗겨냈습니다. 각 콘 사이의 피치가 매우 작고 높이가 매우 높기 때문에 PDMS 필름이 템플릿에서 벗겨지는 순간 나노 콘이 측면으로 기울어져 6-8 콘이 뭉쳐서 나노 콘 클러스터 미세 구조를 형성합니다. 건조 후(그림 2c).
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아 –이 나노콘 클러스터 미세구조의 도식적 제조 공정
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a의 SEM 이미지 V자형 AAO 템플릿 및 b –d 종횡비가 1, 2, 3인 PDMS 나노콘
특성
준비된 제품의 형태 분석은 주사 전자 현미경(SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA)으로 특성화되었습니다[21]. 제품의 소수성 성능은 JC2000D 물 접촉각 시험기(Zhongchen Digital Technic Apparatus Co., Ltd., Shanghai, China)로 측정했습니다. 광학 특성은 400~1100nm 범위에서 Varian Cary5E 분광광도계로 측정되었습니다.
결과 및 토론
그림 1은 나노콘 클러스터 미세구조의 제조 절차를 보여줍니다. V자 모양의 AAO를 템플릿으로 사용했습니다. AAO 템플릿에 점착 방지제(GL-AAC, GermanLitho)를 스핀 코팅하여 다음 절차를 보다 쉽게 수행했습니다. 그런 다음 PDMS 솔루션(GL-ML CURE, GL-ML BASE, GermanLitho, 10:1 비율)을 V자형 템플릿에 드롭 캐스트한 다음 가스 제거 프로세스를 수행한 다음 75°C에서 4시간 동안 경화했습니다. 그림 1b, c에 표시됨. 샘플이 실온으로 냉각된 후 PDMS 필름을 V형 AAO 템플릿에서 벗겨냈습니다. 구조는 그림 1d와 같이 수직으로 생각되었습니다. 그러나 각 콘 사이의 피치가 매우 작고 높이가 매우 높기 때문에 표면 에너지를 줄이기 위해 나노 콘이 측면으로 기울어지고 함께 응집되어 나노 콘 클러스터 미세 구조를 형성합니다 (그림 1e). 나노콘의 집합체는 프랙탈 침투와 일반적인 브라운 운동의 두 가지 과정으로 설명할 수 있습니다. 초기에 PDMS 솔루션에 포함된 모든 입자는 프랙탈 브라운 운동의 격자점 위로 무질서하게 움직였습니다. 두 입자가 만나면 안정한 이중선을 형성하고 이동성을 잃고 응집체의 핵이 됩니다. 떠돌아다니는 입자가 응집체 옆에 있는 세포에 접근하면 포착되어 응집체의 요소가 됩니다. 따라서 점점 더 많은 자유 입자가 집합체로 결합되어 나노콘 클러스터 미세 구조를 형성합니다[22].
그림 2는 템플릿 처리 후 종횡비가 1, 2, 3인 V형 AAO 템플릿과 PDMS 나노콘의 SEM 이미지를 나타냅니다. 그림 2a와 삽입도는 각각 450 및 900nm의 피치와 높이를 가진 템플릿의 평면도와 횡단면도를 보여줍니다. 그림 2b–d는 종횡비가 1, 2, 3인 나노콘 미세구조의 SEM 이미지를 표시합니다. 이미지에서 우리는 종횡비 1의 템플릿을 사용한 템플릿 프로세스 후에 형태가 여전히 별도의 나노콘 미세구조임을 알 수 있습니다. 그림 2c, d는 2 및 3 템플릿의 종횡비를 가진 나노콘 클러스터 미세구조의 이미지를 보여줍니다. 나노콘 클러스터 미세구조는 여러 개의 나노콘으로 구성되어 소수성 및 반사 방지성이 우수한 클러스터 구조를 형성합니다. 그림 2c와 같이 약 6~8개의 단일 나노콘이 모여 직경 950nm, 높이 650nm의 나노콘 클러스터 미세구조를 형성하는 것을 볼 수 있습니다. 반면 그림 2d에 형성된 나노콘 클러스터 미세구조는 10개 이상의 개별 나노콘으로 구성됩니다. 그림 2c, d에서 얻은 결과는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. PDMS 구조의 형태는 구조의 높이 및 피치와 관련이 있습니다. 처음에 구조와 기판 사이의 각도(측벽 각도[20]이라고 함)는 수직이었습니다. 구조의 높이가 증가할수록 구조의 원점에서 멀리 떨어진 나노콘이 더 쉽게 기울어지기 때문에 구조의 측벽 각도도 증가하였다[20]. 그리고 구조의 작은 피치 때문에 기울어진 나노콘이 함께 모여 나노콘 클러스터 미세구조를 형성하기 시작합니다.
패터닝된 필름의 광학적 특성을 알아보기 위해 그림 3과 같이 수직 입사각에서 광학 반사율과 투과율 스펙트럼을 측정하고 평판 PDMS 필름도 참고용으로 테스트했습니다. 분명히 패터닝된 필름의 반사율이 현저히 감소했습니다. 넓은 파장 범위에서 평면 PDMS 필름에 비해. 나노콘 종횡비가 2인 샘플은 400–1100nm 파장 범위에서 3.5% 미만의 반사율로 우수한 반사 방지 성능을 나타내는 반면 [4] 나노콘 종횡비 1과 3의 경우 반사율은 5% 및 4.5% 미만으로 유지됩니다. , 각각. 패턴화된 필름의 낮은 반사율은 나노콘 클러스터 미세구조에 의해 얻어지는 PDMS 표면과 공기 사이의 굴절률의 점진적인 변화에 기인합니다[23, 24]. 그리고 이것은 또한 응집된 나노콘 클러스터 미세구조가 분리된 나노콘보다 반사 감소 성능이 더 우수하다는 것을 보여주는 증거이기도 합니다.
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나노콘 클러스터 미세구조가 있거나 없는 PDMS 필름의 반사율 및 투과율 측정
그림 3은 또한 파장의 함수로 측정된 나노구조가 있거나 없는 PDMS 필름의 투과율을 보여줍니다. 그림 3에서 우리는 나노콘 클러스터 미세구조를 가진 PDMS 필름의 표면 반사율이 평평한 PDMS 필름에 비해 장파장 범위에서 더 높은 투과율 값을 유지한다는 것을 알 수 있습니다. 종횡비가 2인 PDMS 필름은 장파장에서 최고의 빛 투과율을 보여줍니다. 이는 더 높은 종횡비의 나노콘이 유효 굴절률의 더 부드러운 구배를 제공하고 광산란을 증가시키며 전면 반사율을 억제하기 때문입니다. 그러나 너무 높은 종횡비 구조는 비표면적이 낮아 광투과율에 좋지 않다. 이것이 우리가 추가 연구를 위해 종횡비가 2인 PDMS 필름을 선택하는 이유입니다.
그림 4는 나노콘 종횡비가 다른 PDMS 필름의 물 CA를 보여줍니다. 평평한 필름은 C-H의 큰 결합 에너지 때문에 105°의 물 CA에서 소수성을 나타냅니다[25]. 마이크로/나노 구조를 가진 필름은 평평한 필름에 비해 더 큰 CA로 소수성 특성을 향상시킬 것입니다[5]. 접촉각이 먼저 증가하고 나노콘 종횡비가 증가함에 따라 감소하는 것을 보다 쉽게 알 수 있으며 종횡비가 2 나노콘인 필름은 최대 151°의 접촉각을 나타내어 초소수성의 임계 조건을 충족함을 보다 쉽게 알 수 있습니다(그림 4). 그리고 히스토그램에서 우리는 응집된 나노콘 클러스터 미세구조가 분리된 나노콘 미세구조보다 더 큰 CA를 갖는다는 것을 알 수 있습니다. 그림 5는 초소수성 PDMS 필름의 넓은 표면에 물방울을 표시하여 우수한 초소수성을 보여줍니다. 이 현상은 Cassie의 방정식[20, 26,27,28]으로 설명할 수 있습니다.
여기서 θγ 및 θ1 표면 구조가 있거나 없는 PDMS 필름의 CA를 나타냅니다. 그래서 θγ =151°및 θ1 =105°. f1 는 고체-액체 계면의 표면 구조 면적의 비율이며 f2 는 고체-액체 계면에서 공기의 면적 비율입니다.
게다가
$$ {f}_1+{f}_2=1. $$
f를 계산할 수 있습니다. 1 는 0.169이고 f2 0.831입니다.
위의 계산에서 우리는 물방울이 주로 고체-액체 계면에서 공기와 접촉한다는 것을 알 수 있으며, 이것이 우리가 준비한 나노 콘 클러스터 미세 구조가 우수한 소수성 성능을 갖는 이유입니다. 개선된 소수성은 또한 자체 세척 효과와 발수성을 크게 향상시켜 장치의 세척 비용을 크게 줄이고 태양광 장치 응용 분야에서 좋은 후보가 되었습니다[4, 5, 28].
위의 "결과 및 논의" 섹션에서 우리는 응집된 나노콘 클러스터 미세구조가 분리된 나노콘 미세구조에 비해 더 낮은 반사율과 더 큰 CA를 나타낸다는 것을 알 수 있습니다. 이는 문헌[20]에 보고된 결론과도 일치합니다. 지금까지 나노콘 미세구조는 실리콘 및 사파이어와 같은 다른 기판으로 이동할 수 있습니다. 그리고 그것은 태양광 장치에 적용되었습니다. 나노콘 클러스터 미세구조의 형태는 전사 과정에서 제어하기 어렵기 때문에 현재 이러한 종류의 클러스터 미세구조를 다른 기판으로 옮기는 것은 어렵다. 하지만 나노가공 설비의 발달로 나노임프린트 리소그래피, 전자빔 리소그래피 등의 기술을 통해 다양한 분야에서 구조를 활용할 수 있게 됐다.
결론
요약하면, 우리는 간단한 템플릿 프로세스를 사용하여 PDMS 기판에 준비된 새로운 유형의 나노콘 클러스터 미세 구조를 시연했습니다. 이 새로운 나노콘 클러스터 미세 구조는 광 투과율을 크게 향상시키고 광 반사를 감소시켜 광전지 장치의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 가시광선의 전체 범위에서 입사광이 법선각일 때 나노콘 클러스터 미세구조는 빛의 반사율을 효과적으로 감소시켜 3.5% 미만으로 유지됩니다. 또한, 이러한 종류의 클러스터 나노구조는 CA가 151°이므로 우수한 소수성 및 자기세정성을 나타내었다. 이러한 결과는 여기에서 개발된 이러한 종류의 나노구조 PDMS 박막이 미래의 저비용 고성능 에너지 수집 및 광전자 장치에 이상적인 후보임을 시사합니다[29].
