《太陽能電池智慧型表面結構的仿生設計與製備工藝的研究》是依託華中科技大學，由來五星擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：太陽能電池智慧型表面結構的仿生設計與製備工藝的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：來五星
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
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境影響電池穩定性等問題。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慧型表面結構，以解決太陽能電池在工藝、轉換效率和穩定性等方面實用化的問題，著重開展其仿生機理和製備工藝的研究。通過測量樹葉表皮的幾何結構、形態和功能特性，基於結構與功能的仿生耦合設計原理，建立太陽能電池智慧型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，開發單層多功能薄膜的製備工藝；實驗研究並測試其光學特性、動態接觸角、表面粗糙度、溫度和幾何結構形態以檢驗其多功能特性，最佳化其製備工藝。為低成本的太陽能電池覆膜製備提供新的理論、方法和工具，推動太陽能電池的大規模套用。
結題摘要
當前，世界面臨嚴峻的能源和環境壓力，太陽能電池的研究近來成為熱點，太陽能電池目前在套用上存在一些問題，如對太陽入射光的吸收率不高導致光電轉換效率低下，受惡劣環境的影響導致穩定性差使用壽命減短等。自然界中的生物對於不同的環境都具有良好的適應性，如飛蛾複眼結構的減反射性、荷葉表面的超疏水性等。這些生物的一些特定的結構對於光學傳輸、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製備技術的研究，以在寬波長大角度範圍減小電池表面入射光反射率並同時提高表面自清潔性能為目的，基於嚴格耦合波理論展開了仿生模型的光學特性仿真研究，並基於仿生結構的原理提出了兩種實驗製備方法，濕法腐蝕方法及基於自組裝納米微球的方法。對表面結構形貌特徵進行了表征並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，通過研究發現，其表面的微觀有序結構在其中發揮著決定性的作用。通過調整微納結構的分布和尺度，可能會同時具備優異的疏水性和光學減反性。將這樣的微納結構運用於太陽能電池表面，在提高其光電轉換效率、實現自清潔等功能方面會有顯著的突破。 (2)對矽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劣，同時基於嚴格耦合波理論分別運用RSOFT和MATLAB軟體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)採用濕法腐蝕方法進行了矽納米線的製備，並對其結構形貌、疏水性、光學特性進行了測量表征。在實驗中採用100晶向的單晶矽片，室溫下在其表面成功製備了大面積的矽納米線陣列。測試表明，樣品表面反射率在400-800nm波長範圍內達到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)基於自組裝單層納米微球的濕法腐蝕技術製備微納結構的研究。在矽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，製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刻蝕條件的選擇及最佳化。
