具有渐变折射率的分级超疏水结构的设计构筑及其光伏应用

In a natural environment，the surface of solar cell panels easily suffered from the pollution of solid dust, which severely affect the conversion efficiency and the service life of the photovoltaic devices. Meanwhile, it exists insufficient absorption and utilization for the multidirectional incident light since the fixed location and angle of the photovoltaic device. In this project, we tend to introduce the film with hierarchical superhydrophobic structure with gradient refractive index to solve these above problems. According to the effective medium theory, the structure with gradient refractive index can improve the light transmission. And the hierarchical structure not only matches the demand of low contact area and low adhesive force for superhydrophobic self-cleaning interface, but it also can lower the interface reflection for multidirectional sunlight through rational design, and enhance the light absorption for photovoltaic device, thus improve the integrating photovoltaic conversion efficiency of solar cell modules. In this program, we aim to find the optimal configuration of hierarchical superhydrophobic structure with gradient refractive index through theoretical design and interface experiment construction, reveal the internal relationship between light scattering, wettability and the hierarchical structure. Furthermore, we will apply the film with hierarchical structure on the surface of solar cell, realizing the surface transparent superhydrophobic self-cleaning, enhancing the absorption for multidirectional incident light, and keeping the long-term high efficient stability of the output efficiency of the photovoltaic device.

在自然环境中，太阳能电池面板表面易受固体粉尘污染，这严重影响了光伏器件的工作效率和使用寿命，而光伏器件由于位置和角度的固定会导致其对多方向入射光的吸收利用不足。我们拟引入具有渐变折射率的分级超疏水结构膜层来解决以上问题。根据有效介质理论，渐变折射率结构可以改善入射光的透射；而引入分级结构不仅可以满足超疏水自清洁界面的低接触面积和低粘附性的要求，而且通过合理的分级结构设计，有望实现光伏器件表面对多方向入射光的减反增透，进而增强光伏器件对入射光的吸收，改善太阳能电池组件的整体光伏转换效率。本项目旨在通过理论设计和界面实验构筑，以发现具有渐变折射率分级超疏水结构的最佳构型，揭示光散射、浸润与分级结构的关系。进一步将渐变折射率分级结构膜层用在太阳能电池表面，实现其表面的透明超疏水自清洁，增强其对多方向入射光的吸收，保持其输出效率的长久高效稳定性。

太阳能光伏器件的封装玻璃具有本征亲水的性能，这使得其在自然环境中工作时极易受到粉尘和油污的污染从而大大降低其工作效率和使用寿命。该课题从太阳能电池的封装玻璃出发，通过在其构建具有分级结构的特殊渐变折射率界面，在不影响器件效率的前提下，达到表面自清洁的目的。（1）结合氧化锌的物理化学性质，我们开发了一种基于饱和前驱液稀释热反应法，得到了一系列可大面积高效率制备的氧化锌纳米结构，包括纳米锥和纳米片结构。根据有效介质理论和时域有限差分法证明了纳米锥结构符合渐变折射率的要求，且具有较高折射率。结合低表面能处理方法，我们得到了同时满足高透射率和超疏水性的功能玻璃界面。 （2）根据理论研究和计算模拟，设计了一种图案化的氧化锌微纳米分级渐变折射率结构。首先，我们从溶液和纳米粒子分散液出发，利用模板诱导界面退浸润组装方法，实现了微米阵列结构的可控制备，并探索了其微观反应机制。进而，我们以微米线上的纳米粒子为籽晶，在微米线表面生长了纳米锥结构，从而获得了具有分级微纳米结构的超疏水界面。通过适当的生长调节和后续界面处理，我们获得了兼具高透过率和超疏水性的功能玻璃界面，并探讨了分级结构的散射效应对不同入射角度光的透过率影响。 （3）为了获得具有更加普适性的柔性功能薄膜，我们设计并制备了具有微纳米分级结构的PDMS薄膜。 首先改进刻蚀方法制备了一级硅金字塔微米结构，然后在此基础上制备了二级纳米线结构。经过界面修饰和复型后，我们获得了具有表面复合机构的PDMS薄膜。结合PDMS的本征疏水性能，通过调控可获得兼有高疏水性和多方向高透明性的柔性膜，覆于玻璃表面可大大改善光伏器件的功能。