Ученые разрабатывают антибликовые поверхности для фотоэлектрических модулей по принципу «глаза мотылька»

Исследователи из Португалии изучили механическую прочность антибликовых кремниевых поверхностей, созданных по принципу «глаза мотылька», для применения в фотоэлектрических системах. Они обнаружили, что при многократном скольжении происходит разрушение наностолбиков и уплотнение материала, а более высокие механические нагрузки приводят к повышенному трению и износу.

Поверхности, вдохновленные «глазами» мотыльков

Исследователи из Португалии изучили трение и износ кремниевых поверхностей, вдохновленных «глазами» мотыльков, которые предназначены для уменьшения отражения света и улучшения его поглощения в солнечных батареях. В ходе исследования, в частности, изучалось, как эти антибликовые наноструктуры выдерживают механические нагрузки, возникающие при эксплуатации солнечных модулей.

«Если мы хотим интегрировать эти наноструктуры во внешние поверхности фотоэлектрических модулей, нам также нужно понять, как они реагируют на механический контакт, очистку и другие факторы окружающей среды», — рассказал автор исследования Витор Лопеш. «Вместо того чтобы сосредоточиться только на оптических характеристиках, мы исследовали, как эти структуры реагируют на трение и повторяющиеся механические нагрузки, а также как меняется их морфология по мере накопления повреждений».

Лопес сказал, что, по мнению команды, применение трибологического подхода к наноструктурам, управляющим световым потоком, — важный шаг к пониманию их долговечности и созданию условий для их практического применения в фотовольтаике.«Имея опыт работы в машиностроении, а теперь занимаясь исследованиями в области фотовольтаики, я увидел возможность подойти к этой проблеме с другой стороны», — добавил он.

Исследователи изготовили кремниевые поверхности, напоминающие глаза мотылька, размером примерно 2,5 см × 2,5 см, с наностолбиками высотой в среднем 434 нм и диаметром около 100 нм. Они изготовили кремниевую мастер-форму методом реактивного ионного травления, используя в качестве маски для травления наночастицы золота, сформированные методом термического отслаивания. Затем они перенесли рисунок на промежуточный полимерный штамп и отпечатали его на кремниевых пластинах с резистивным покрытием с помощью наноимпринтной литографии, после чего перенесли рисунок на кремний методом реактивного ионного травления.

Чтобы оценить трение и износ, команда перемещала стальной шарик диаметром 5 мм по текстурированным поверхностям без смазки, прикладывая нагрузку 0,1 Н и 0,5 Н при скорости скольжения 5 мм/с в течение 50 циклов. Каждое испытание повторялось три раза.

Исследователи фиксировали коэффициент трения на протяжении всего испытания, измеряли ширину следов износа с помощью оптической микроскопии и изучали разрушение, разрушение с образованием трещин и уплотнение наностолбиков с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Они также измерили начальную отражательную способность в диапазоне длин волн от 300 до 1100 нм, но не оценивали отражательную способность после испытаний на износ.

«Одним из самых интересных открытий стало то, что коэффициент трения оставался относительно стабильным при меньшей механической нагрузке, хотя на снимках, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, были видны явные структурные изменения наноструктур», — сказал Лопес. «Это говорит о том, что одних только измерений трения может быть недостаточно для оценки целостности этих поверхностей».

После 50 циклов скольжения средняя ширина следов износа составила примерно 252 мкм при нагрузке 0,1 Н и 388 мкм при нагрузке 0,5 Н. Коэффициент трения варьировался от 0,40 до 0,56 при меньшей нагрузке, но превысил 1,0 к 50-му циклу при большей нагрузке. Исследователи также наблюдали изменения в механизмах износа по мере увеличения механической нагрузки и количества циклов скольжения.

«В то время как первоначальные повреждения в основном характеризовались разрушением наностолбиков, дальнейшее скольжение приводило к накоплению и уплотнению разрушенного материала, что постепенно меняло исходную морфологию поверхности, — говорит Лопес. — При более высоких нагрузках это преобразование сопровождалось заметным увеличением трения.”

Результаты исследования представлены в статье «Изучение механической устойчивости наноструктур для управления световым потоком: анализ износа и деградации кремниевых поверхностей, вдохновленных глазами мотылька, для применения в фотовольтаике», опубликованной в журнале Surfaces and Interfaces. В исследовательскую группу вошли ученые из португальской Международной иберийской лаборатории нанотехнологий, Университета Минью, лаборатории LABBELS и Университета Авейру.

Аккумуляторная батарея TROJAN L16P-AC https://invertory.ru/product/trojan-l16p-ac/