通过热沉积技术制备的耐久性超疏水防反射涂层，适用于光伏电池

《Polymer》：Durable superhydrphobic anti-reflective coating prepared by thermal deposition for photovoltaic cells

本研究开发了一种新型大规模热沉积法，成功制备出兼具超疏水性、高透明度（3.3%）和优异机械/热稳定性（>400℃）的SiO?@Si(CH?)抗反射涂层。该涂层厚度仅200nm，表面粗糙度37.5nm，经自清洁测试后光伏组件发电效率恢复至99.1%，为复杂环境应用提供了新策略。

　　

Jiale Li|Bin Dong|Rongzhang Qiu|Minjie Liang|Yang Cao|Ning Gu|Youyi Sun

中国北方大学材料科学与工程学院，太原 030051

摘要

具有良好耐久性的超疏水抗反射涂层在各个领域都备受需求，并发挥着重要作用。然而，要在超疏水性、透明度和耐久性之间找到平衡点是一个巨大的挑战。本文介绍了一种新的大规模热沉积方法，用于制备具有优异超疏水性、透明度和耐久性的多孔SiO₂@Si-(CH₃)超疏水抗反射涂层。所得涂层的厚度约为200纳米，表面粗糙度约为37.5纳米。因此，该涂层不仅具有出色的超疏水性，还表现出较高的透明度（约3.3%）、良好的机械性能和热稳定性（>400°C）以及耐酸溶液性。此外，还评估了这种超疏水抗反射涂层在光伏电池中的应用效果，发现其在超疏水抗反射涂层的作用下，光伏电池的发电效率提高了1.0%，并且在自清洁污染物后可以恢复到99.1%。这项工作为在恶劣和复杂条件下制备超疏水抗反射涂层提供了一种有前景且简便的方法。

引言

超疏水抗反射涂层可以减少许多光学仪器（如玻璃窗、高功率激光器和太阳能模块）中的光反射和灰尘污染^[1]。由于其工业重要性，抗反射和自清洁表面引起了科学家的极大兴趣。众所周知，传统超疏水涂层在超疏水性和透明度之间存在明显的矛盾^[2]。通常，为了实现超疏水性，需要较高的表面粗糙度，但这会导致光散射增加，从而降低透明度或增强光反射^[2]。因此，开发透明超疏水涂层需要较低的表面粗糙度、较薄的厚度和较低的表面能。已经开发了许多制备超疏水涂层的方法，如喷涂^[3]、[4]、蚀刻^[6]、化学沉积^[7]、逐层（LBL）沉积^[8]、旋涂^[9]、浸涂^[10]、[11]、原子层沉积^[12]等。为了进一步降低表面能，还使用低表面能材料（如硅氧烷^[13]、[14]、[15]、[16]、氟化聚合物^[22]、[23]、[24]、[25]、[26]等对表面进行化学修饰。例如，通过逐层自组装方法制备了用于高效收集太阳能的超疏水抗反射壳聚糖纳米纤维或聚阳离子/聚阴离子)/甲基硅烷化二氧化硅涂层^[17]，[28]；通过浸涂方法制备了超疏水抗反射甲基硅烷化二氧化硅涂层或树脂/改性二氧化硅双层涂层^[20]、[29]、[30]、[31]、[32]；也通过旋涂方法制备了类似的涂层^[18]、[33]、[34]。超疏水抗反射Al₂O₃/PTFE涂层是通过原子层沉积方法制备的^[21]；(1-H, 1-H, 2-H, 2-H-三氟辛基)三甲氧基硅烷改性的超疏水抗反射玻璃基底则是通过化学或物理蚀刻方法制备的^[14]。尽管喷涂方法可以方便地制备超疏水涂层，但其透明度较低。相比之下，虽然其他方法（如旋涂、浸涂、原子层沉积）制备的超疏水涂层具有较高的透明度，但由于需要多步骤工艺或苛刻的条件，或者需要特殊试剂和设备^[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12]，这些方法难以实现大规模生产。此外，这些超疏水涂层的耐久性较差且成本较高。目前的研究主要集中在提高光透过率和控制超疏水抗反射涂层的润湿性上^[10]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。因此，制备具有高耐久性和低成本的超疏水抗反射涂层仍然具有很大的研究价值。

本文提出了一种新的方法，可以实现超疏水抗反射涂层的大规模生产。与传统有机-无机杂化涂层相比，该涂层的耐候性和透明度显著提高，同时由于有机成分较少，其机械性能和高温稳定性也得到了显著改善。这种制备方法通用、简单、成本低廉，适用于多种应用场景，能够制备出具有良好耐久性的超疏水涂层。

材料

SiO₂纳米颗粒（50纳米）、乙醇、冰醋酸、环氧树脂（EP, E44）、聚醚胺D230、氨水和丙酮均购自天津大茂公司。PDMS（Sylgard 184）由陶氏康宁公司提供。N-辛基三甲氧基硅烷（OTS）和N-己烷由Aladdin公司提供。

超疏水抗反射涂层的制备

超疏水抗反射涂层是通过喷涂与热沉积相结合的方法制备的，具体步骤见图1。首先制备双层SiO₂/EP涂层

结果与讨论

本文开发了一种制备具有良好耐久性的超疏水抗反射涂层的新方法。在制备过程中需要注意和控制一些关键步骤和条件。首先，将薄层的SiO₂纳米颗粒喷涂在聚合物涂层表面；如果将SiO₂纳米颗粒直接掺入聚合物涂层中，经过煅烧后难以形成超疏水表面（见图1）。此外，涂覆有SiO₂纳米颗粒的聚合物涂层需要经过煅烧处理

结论

在本研究中，我们开发了一种用于光伏电池应用的大规模生产超疏水抗反射涂层的新工艺。该涂层不仅具有优异的超疏水性，其透明度也比纯玻璃基底提高了约3.3%。此外，该涂层还具有较高的机械摩擦阻力、高温（>400°C）和低温（-80°C）稳定性，以及良好的耐酸性。

作者贡献声明

Youyi Sun：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请。 Ning Gu：撰写、审稿与编辑。 Yang Cao：撰写初稿。 Minjie Liang：撰写初稿、方法设计。 Rongzhang Qiu：概念构思。 Bin Dong：数据整理。 Jiale Li：实验研究。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明与本研究无任何利益冲突。我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益。

致谢

本研究得到了山西省自然科学基金（202204021301049、202304021301030）以及山西省科技创新团队的专项支持。