太陽能電池智能表面結構的仿生設計與制備工藝的研究

當前，世界面臨嚴峻的能源和環(huán)境壓力，太陽能電池的研究近來成為熱點，太陽能電池目前在應用上存在一些問題，如對太陽入射光的吸收率不高導致光電轉換效率低下，受惡劣環(huán)境的影響導致穩(wěn)定性差使用壽命減短等。自然界中的生物對于不同的環(huán)境都具有良好的適應性，如飛蛾復眼結構的減反射性、荷葉表面的超疏水性等。這些生物的一些特定的結構對于光學傳輸、溫度控制、自清潔功能有直接的影響。本文以某些具有特殊結構的生物體為仿生對象，開展太陽能電池表面結構的仿生機理和制備技術的研究，以在寬波長大角度范圍減小電池表面入射光反射率并同時提高表面自清潔性能為目的，基于嚴格耦合波理論展開了仿生模型的光學特性仿真研究，并基于仿生結構的原理提出了兩種實驗制備方法，濕法腐蝕方法及基于自組裝納米微球的方法。對表面結構形貌特征進行了表征并測試了表面結構的光學特性、疏水性。本文主要研究內容如下： 1）仿生結構機理研究。一些生物體表面具有良好的光學減反性和疏水性，通過研究發(fā)現(xiàn)，其表面的微觀有序結構在其中發(fā)揮著決定性的作用。通過調整微納結構的分布和尺度，可能會同時具備優(yōu)異的疏水性和光學減反性。將這樣的微納結構運用于太陽能電池表面，在提高其光電轉換效率、實現(xiàn)自清潔等功能方面會有顯著的突破。 2)對硅片表面減反射原理進行研究，比較了薄膜減反射和微結構減反射的優(yōu)劣，同時基于嚴格耦合波理論分別運用RSOFT和MATLAB軟件進行了一維和二維亞波長微納結構光學特性仿真。對固體表面超疏水機理進行了分析。 3)采用濕法腐蝕方法進行了硅納米線的制備，并對其結構形貌、疏水性、光學特性進行了測量表征。在實驗中采用100晶向的單晶硅片，室溫下在其表面成功制備了大面積的硅納米線陣列。測試表明，樣品表面反射率在400-800nm波長范圍內達到5%以下，表面接觸角高達150°，同時具備了較好的疏水性和減反射性。 4)基于自組裝單層納米微球的濕法腐蝕技術制備微納結構的研究。在硅基底表面自組裝單層PS膠體微球，結合RIE刻蝕技術和磁控濺射鍍膜技術，運用改進的濕法腐蝕技術，制備了一定面積的尺寸可控的有序納米線陣列，討論了及PS微球的自組裝技術，RIE刻蝕條件的選擇及優(yōu)化。 2100433B

太陽能電池存在多角度入射太陽光難以聚焦吸收、過熱問題引起轉換效率降低以及惡劣戶外環(huán)境影響電池穩(wěn)定性等問題。本項目以樹葉表皮為仿生對象，研究樹葉表皮的光學特性、自清潔性、超疏水性、熱適應性等多功能的形成機理，提出了一種單層薄膜上集成多功能特性的太陽能電池智能表面結構，以解決太陽能電池在工藝、轉換效率和穩(wěn)定性等方面實用化的問題，著重開展其仿生機理和制備工藝的研究。通過測量樹葉表皮的幾何結構、形態(tài)和功能特性，基于結構與功能的仿生耦合設計原理，建立太陽能電池智能表面結構的仿生模型；分析表面結構的邊界約束條件，建立納米顆粒分布模型，進行計算機仿真設計，開發(fā)單層多功能薄膜的制備工藝；實驗研究并測試其光學特性、動態(tài)接觸角、表面粗糙度、溫度和幾何結構形態(tài)以檢驗其多功能特性，優(yōu)化其制備工藝。為低成本的太陽能電池覆膜制備提供新的理論、方法和工具，推動太陽能電池的大規(guī)模應用。

針對微機械構件的服役性能與制備工藝關系，利用體硅工藝研究制作了懸臂梁陣列，完善了加工工藝；并重點研究了利用光纖耦合機理來測量懸臂梁橫向固有振動頻率的方法，較好地解決了“施加微小載荷”和“檢測微小位移”兩方面的問題；采用靜態(tài)壓入檢測的方法，設計了微結構專用的微機械性能測試儀，能夠檢測微結構材料硬度、彈性模量、硬化指數(shù)、斷裂韌性及疲勞極限等多項指標；發(fā)明了研究微結構沖擊載荷作用的微沖擊實驗臺，研究了相應的動態(tài)測試技術，并對微機械制造中常用的幾種材料進行了微沖擊實驗。在整個研究過程中還完善了微機械加工的工藝參數(shù)，制作了微壓力傳感器、微懸臂梁陣列、微溫度傳感器等具有市場價值和工藝代表性的微功能器件。 2100433B

采用理論及實驗的方法來研究大型航空器設計所涉及的纖維增強樹脂基復合材料和新一代高強鋁鋰合金組成的混合疊層板的制備工藝，通過鋁合金、鋁鋰合金表面處理工藝、疊層板固化成型工藝的研究，建立一個可重現(xiàn)且可靠的疊層板制備工藝。通過無損檢測技術，研究疊層板的制備缺陷，比較纖維增強鋁合金層板與纖維增強鋁鋰合金層板的制備流程及制備缺陷的異同性。建立含初始界面分層缺陷、含殘余應力層板靜強度和疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴展壽命理論模型和有限元數(shù)值模型，模擬固化成型工藝過程，分析層板制備過程各階段工藝參數(shù)對成型后層板界面分層和殘余應力的影響，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

《中空結構微納米材料的制備與應用研究》(作者酒紅芳)簡要論述了中空結構微納米材料的一些概念，對中空結構微納米材料進行了分類，詳細介紹了一些中空結構微納米材料的制備和性能與應用研究，以及中空結構微納米材料的發(fā)展趨勢和研究動向，并提出了制備和應用申的關鍵問題，對中空結構微納米材料的制備方法和形成機理進行了針對性的深入分析。

《中空結構微納米材料的制備與應用研究》可供化學工藝、工業(yè)催化、應用化學、材料學、高分子物理與化學、晶體學、生物學、制藥工程等方面工作的科技人員以及高等院校有關專業(yè)的師生參考。