一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法及应用

1.本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法及应用。

背景技术：

2.随着能源改革的进一步深化，光伏组件的生产工艺不断优化，安装成本的逐步降低，光伏发电产业在全球范围内得到快速发展，全球范围内的光伏装机总量不断增加。商用的晶硅太阳能电池作为光伏产业市场的主流，光电转换效率低下，与此同时整个业界关于电池效率的提升也渐渐进入瓶颈期，如何提高太阳能电池组件的实际发电效率，是众所关心的重要问题。光伏组件的光学损失就是阻碍太阳能高效利用的重要障碍之一，因此，提升光伏组件对太阳光的有效利用就变得越来越重要。
3.减少电池组件光学损失的重要途径之一就是构建减反射的结构。减反射结构是在材料表面制备高低起伏的表面结构来降低材料表面的反射率，是通过散射、折射与反射作用增加光在传播过程中路程，达到增加光程的效果，使每条光线能够在多个位置被吸收，这就能够显著提高了光的吸收效率。文献报道，在太阳能电池中引入减反射结构可以有效提高电池的光电转换效率和短路电流。
4.生物体的表面(和亚表面)，是生物体与其环境之间的重要界面，在适应和生存过程中起着至关重要的作用，研究生物表面结构可以为我们解决世界难题和技术困局提供优异的借鉴和启发。随着微纳制造加工技术以及相关仪器设备的迅速发展，人们将目光投向有着性能优异的生物体表面复杂精细的微纳结构，尝试通过人工手段再现生物的优异性能。而植物表面，特别是叶子和花瓣，可以结合表皮细胞的微/纳米层次结构，不仅可以减少光反射损失，而且能够重新定向入射光子，最终诱导光聚焦效应。花瓣表皮细胞微/纳米层次结构的作用使其具有宽带和全向光学特性，适合应用于光伏器件中，解决光损耗问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法及应用，通过将pdms前驱物和固化剂涂覆在鸡蛋花花瓣表面制得具有低光反射率、高透光率和良好机械性能的薄膜，此薄膜具有独特的表面结构，能够解决现有光伏器件中普遍存在的光损耗问题。
6.为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：
7.(1)对基底进行预处理；
8.(2)将花瓣固定于基底上；
9.(3)准备制膜液；
10.(4)将步骤(3)得到的混合样品慢慢涂覆在固定面积的花瓣表面，使得混合液体在表面张力的作用下完全覆盖花瓣表面；涂覆完毕后静置1～3分钟，使涂层表面平整，随后抽
真空去除涂层中的气泡；
11.(5)将步骤(4)所得样品加热或直接室温固化至涂层完全固化后与基底和叶片剥离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。
12.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中基底为k9玻璃基片、熔石英或普通玻璃中的一种。
13.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中基底预处理是指对基底依次用清洁剂、去离子水冲洗。
14.在本发明一较佳实施例中，所述的膜为pdms、pfpe、pfpe-dma中的至少一种。
15.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(2)中花瓣为鸡蛋花花瓣。
16.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(3)中膜液制备方法为按照质量比为8～12:1 称取pdms前驱物和固化剂，搅拌使其充分混合均匀，抽真空至无肉眼可见的气泡为止。
17.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(4)中固定面积为1cm
×
1cm～2cm
×
3cm，固定面积上制膜液的涂覆量为0.033～0.055g。
18.在本发明一较佳实施例中，所述步骤(5)中加热温度为70～90℃，时间为1.5～2.5h，室温固化步骤的固化时间为22～26h。
19.为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法制备的薄膜，该薄膜具有鸡蛋花表皮细胞反结构的表面，结合花瓣表皮细胞的微/ 纳米层次结构，不仅能够减少光反射损失，而且调整入射光方向，最终诱导光聚焦效应。
20.为了实现以上目的，本发明的技术方案之三为：一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法制备的薄膜在光伏器件中的应用。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1、本发明的制备方法利用生物模板法，所用原材料易于获得；
23.2、本发明所制备的仿生薄膜具有低的光反射率、高的透光率和良好的机械性能，且具有独特的表面结构，这种仿生结构增加了光程而提高了光利用，在一定程度上可以有效解决光损耗问题，最终实现提高光伏器件的光电转换效率的目的。
附图说明
24.图1为本发明实施例1中制备工艺过程示意图；
25.图2为本发明实施例1所使用的模板花瓣照片；
26.图3为本发明实施例1所用模板花瓣sem图以及所制样品sem图(a为模板花瓣表面形貌sem图；b为薄膜样品表面形貌sem图)；
27.图4为本发明实施例1所制得的仿生结构薄膜的反射率和透射率曲线图(图a为反射率，图b为透射率)；
28.图5为本发明实施例4仿生结构薄膜的电池伏安特性曲线。
具体实施方式
29.以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
30.一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：
31.(1)对基底进行预处理；
32.(2)将花瓣固定于基底上；
33.(3)准备制膜液；
34.(4)将步骤(3)得到的混合样品慢慢涂覆在固定面积的花瓣表面，使得混合液体在表面张力的作用下完全覆盖花瓣表面；涂覆完毕后静置1～3分钟，使涂层表面平整，随后抽真空去除涂层中的气泡；
35.(5)将步骤(4)所得样品加热或直接室温固化至涂层完全固化后与基底和叶片剥离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。
36.所述的膜为pdms、pfpe、pfpe-dma中的至少一种。
37.所述步骤(1)中基底为k9玻璃基片、熔石英或普通玻璃中的一种。
38.所述步骤(1)中基底预处理是指对基底依次用清洁剂、去离子水冲洗。
39.所述步骤(2)中花瓣为鸡蛋花花瓣。
40.所述步骤(3)中膜液制备方法为按照质量比为8～12:1称取pdms前驱物和固化剂，搅拌使其充分混合均匀，抽真空至无肉眼可见的气泡为止。
41.所述步骤(4)中固定面积为1cm
×
1cm～2cm
×
3cm，固定面积上制膜液的涂覆量为 0.033～0.055g。
42.所述步骤(5)中加热温度为70～90℃，时间为1.5～2.5h，室温固化步骤的固化时间为22～26h。
43.一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法制备的薄膜，该薄膜具有鸡蛋花表皮细胞反结构的表面，结合花瓣表皮细胞的微/纳米层次结构，不仅能够减少光反射损失，而且调整入射光方向，最终诱导光聚焦效应。
44.一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法制备的薄膜在光伏器件中的应用。
45.下述实施例中使用的pdms前驱物和固化剂均购自sigma-aldrich公司。
46.以下实施例中的模板即为实验所用花瓣，因为是生物模板法，故称作模板。
47.实施例1
48.(1)基底的预处理：取普通玻璃2片，对玻璃依次用市售清洁剂、去离子水冲洗；
49.(2)实验前的准备：取鸡蛋花1朵(如附图2)，将叶片轻轻撕下，用去离子水将表面冲洗干净并晾干，之后使用双面胶将花瓣固定在准备好的玻璃基底上，并合理控制胶带划分出的花瓣固定面积2cm
×
2cm；
50.(3)准备制膜液：称取0.1g的pdms前驱物(主剂)a和0.01g的固化剂b(a和 b的质量比为10:1)倒入烧杯中并搅拌，使其充分混合均匀；把混合好的样品置于真空干燥箱中抽真空，持续到没有可以肉眼看得见的气泡为止；
51.(4)涂覆制膜液：将准备好的pdms混合物缓慢涂覆在上述固定面积的花瓣表面，每一份样品涂覆0.033g，使得混合溶液在表面张力的作用下完全覆盖固定面积的花瓣表面；涂覆完毕后静置2分钟，使涂层表面平整，随后使用真空干燥箱抽真空去除涂层中的气泡；
52.(5)样品涂层的固化：将所得样品置于烘箱中进行加热，加热温度和时间分别为80℃和2h；
53.(6)仿生薄膜的剥离：使用镊子将固化完成的薄膜与花瓣轻轻分离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。
54.附图1为本实施例中制备工艺过程示意图；附图2为本实施例所使用的模板花瓣照
片。
55.使用sem表征模板花瓣及所制得的薄膜表面形貌，结果如附图3所示，图a为模板表面形貌sem图；图b为薄膜样品表面形貌sem图，由图3可知所制得的薄膜呈现有规则的网状孔洞结构；附图4为反射率和透射率数据，从图可看出薄膜具有良好的减反射功能以及增透功能。
56.实施例2
57.(1)基底的预处理：取普通玻璃1片，对玻璃依次用清洁剂、去离子水冲洗；
58.(2)实验前的准备：取鸡蛋花1朵(如附图2)，将叶片轻轻撕下，用去离子水将表面冲洗干净并晾干，之后使用双面胶将花瓣固定在准备好的玻璃基底上，并合理控制胶带划分出的花瓣固定面积1cm
×
3cm；
59.(3)准备制膜液：称取0.1g的pdms前驱物(主剂)a和0.01g的固化剂b(a和 b的质量比为9:1)倒入烧杯中并搅拌，使其充分混合均匀；把混合好的样品置于真空干燥箱中抽真空，持续到没有可以肉眼看得见的气泡为止；
60.(4)涂覆制膜液：将准备好的pdms混合物缓慢涂覆在固定面积的花瓣表面，每一份样品涂覆0.055g，使得混合溶液在表面张力的作用下完全覆盖固定面积的花瓣表面；涂覆完毕后静置2分钟，使涂层表面平整，随后使用真空干燥箱抽真空去除涂层中的气泡；；
61.(5)样品涂层的固化：将所得样品置于烘箱中进行加热，加热温度和时间分别为70℃和3h；
62.(6)仿生薄膜的剥离：使用镊子将固化完成的薄膜与花瓣轻轻分离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。
63.实施例3
64.(1)基底的预处理：取普通玻璃1片，对玻璃依次用清洁剂、去离子水冲洗；
65.(2)实验前的准备：取鸡蛋花1朵(如附图2)，将叶片轻轻撕下，用去离子水将表面冲洗干净并晾干，之后使用双面胶将花瓣固定在准备好的玻璃基底上，并合理控制胶带划分出的花瓣固定面积2cm
×
3cm；
66.(3)准备制膜液：称取0.1g的pfpe前驱物(主剂)a和0.01g的固化剂b(a和b 的质量比为11:1)倒入烧杯中并搅拌，使其充分混合均匀；把混合好的样品置于真空干燥箱中抽真空，持续到没有可以肉眼看得见的气泡为止；
67.(4)涂覆制膜液：将准备好的pdms混合物缓慢涂覆在花瓣表面，每一份样品涂覆 0.055g，使得混合溶液在表面张力的作用下完全覆盖花瓣表面。涂覆完毕后静置2分钟，使涂层表面平整，随后使用真空干燥箱抽真空去除涂层中的气泡；；
68.(5)样品涂层的固化：将所得样品置于烘箱中进行加热，加热温度和时间分别为70℃和3h；
69.(6)仿生薄膜的剥离：使用镊子将固化完成的薄膜与花瓣轻轻分离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。
70.实施例4
71.将实施例1中制得的仿生薄膜应用于有机太阳能电池，电池器件的结构为 glass/ito/zno/pm6:y7/moo3/al。具体应用方式为将仿生薄膜贴于电池的玻璃面。在 am1.5g，100mw/cm2标准光强的照射条件下(太阳能模拟器newport)进行太阳能电池的光电性能测
试，其伏安特性曲线如附图5所示，由附图5可知，相比较于参比电池，有仿生结构薄膜的电池的短路电流密度和光电转换效率分别增加6.7％和5.6％。
72.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

技术特征：

1.一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对基底进行预处理；(2)将花瓣固定于基底上；(3)准备制膜液；(4)将步骤(3)得到的制膜液涂覆在固定面积的花瓣表面，静置使涂层表面平整，随后抽真空去除涂层中的气泡；(5)将步骤(4)所得样品加热或直接室温固化至涂层完全固化后与基底和叶片剥离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。2.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的膜为pdms、pfpe、pfpe-dma中的至少一种。3.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中基底为k9玻璃基片、熔石英或普通玻璃中的一种。4.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中基底预处理是指对基底依次用清洁剂、去离子水冲洗。5.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中花瓣为鸡蛋花花瓣。6.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中制膜液的制备方法为按照质量比为8～12:1称取pdms前驱物和固化剂，搅拌使其充分混合均匀，抽真空至无肉眼可见的气泡为止。7.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中固定面积为1cm
×
1cm～2cm
×
3cm，固定面积上制膜液的涂覆量为0.033～0.055g。8.如权利要求1所述的一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中加热温度为70～90℃，时间为1.5～2.5h，室温固化步骤的固化时间为22～26h。9.一种如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的薄膜。10.一种如权利要求9所述的薄膜在光伏器件中的应用。

技术总结

本发明属于光学薄膜技术领域，公开了一种仿生结构光调制功能薄膜的制备方法及应用，其制备方法包括如下步骤：对基底进行预处理；将花瓣固定于基底上；按照质量比为8～12:1称取PDMS前驱物和固化剂，搅拌使其充分混合均匀，把混合好的样品抽真空；将混合样品涂覆在花瓣表面，静置使涂层表面平整，随后抽真空去除涂层中的气泡；将上述所得样品加热或直接室温固化至涂层完全固化后与基底和叶片剥离，即得到仿生结构光调制功能薄膜。本发明所制备的仿生薄膜具有低的光反射率、高的透光率和良好的机械性能，且具有独特的表面结构，这种仿生结构增加了光程而提高了光利用，在一定程度上可以有效解决光损耗问题，最终实现提高光伏器件的光电转换效率的目的。光电转换效率的目的。