太陽能電池智能表面結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與制備工藝的研究

當(dāng)前，世界面臨嚴(yán)峻的能源和環(huán)境壓力，太陽能電池的研究近來成為熱點(diǎn)，太陽能電池目前在應(yīng)用上存在一些問題，如對(duì)太陽入射光的吸收率不高導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低下，受惡劣環(huán)境的影響導(dǎo)致穩(wěn)定性差使用壽命減短等。自然界中的生物對(duì)于不同的環(huán)境都具有良好的適應(yīng)性，如飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對(duì)于光學(xué)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(jié)構(gòu)的生物體為仿生對(duì)象，開展太陽能電池表面結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)理和制備技術(shù)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(shí)提高表面自清潔性能為目的，基于嚴(yán)格耦合波理論展開了仿生模型的光學(xué)特性仿真研究，并基于仿生結(jié)構(gòu)的原理提出了兩種實(shí)驗(yàn)制備方法，濕法腐蝕方法及基于自組裝納米微球的方法。對(duì)表面結(jié)構(gòu)形貌特征進(jìn)行了表征并測(cè)試了表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性、疏水性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1）仿生結(jié)構(gòu)機(jī)理研究。一些生物體表面具有良好的光學(xué)減反性和疏水性，通過研究發(fā)現(xiàn)，其表面的微觀有序結(jié)構(gòu)在其中發(fā)揮著決定性的作用。通過調(diào)整微納結(jié)構(gòu)的分布和尺度，可能會(huì)同時(shí)具備優(yōu)異的疏水性和光學(xué)減反性。將這樣的微納結(jié)構(gòu)運(yùn)用于太陽能電池表面，在提高其光電轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)自清潔等功能方面會(huì)有顯著的突破。 2)對(duì)硅片表面減反射原理進(jìn)行研究，比較了薄膜減反射和微結(jié)構(gòu)減反射的優(yōu)劣，同時(shí)基于嚴(yán)格耦合波理論分別運(yùn)用RSOFT和MATLAB軟件進(jìn)行了一維和二維亞波長微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性仿真。對(duì)固體表面超疏水機(jī)理進(jìn)行了分析。 3)采用濕法腐蝕方法進(jìn)行了硅納米線的制備，并對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌、疏水性、光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量表征。在實(shí)驗(yàn)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(cè)試表明，樣品表面反射率在400-800nm波長范圍內(nèi)達(dá)到5%以下，表面接觸角高達(dá)150°，同時(shí)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(shù)制備微納結(jié)構(gòu)的研究。在硅基底表面自組裝單層PS膠體微球，結(jié)合RIE刻蝕技術(shù)和磁控濺射鍍膜技術(shù)，運(yùn)用改進(jìn)的濕法腐蝕技術(shù)，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(shù)，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(zhuǎn)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(xiàng)目以樹葉表皮為仿生對(duì)象，研究樹葉表皮的光學(xué)特性、自清潔性、超疏水性、熱適應(yīng)性等多功能的形成機(jī)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(jié)構(gòu)，以解決太陽能電池在工藝、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等方面實(shí)用化的問題，著重開展其仿生機(jī)理和制備工藝的研究。通過測(cè)量樹葉表皮的幾何結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能特性，基于結(jié)構(gòu)與功能的仿生耦合設(shè)計(jì)原理，建立太陽能電池智能表面結(jié)構(gòu)的仿生模型；分析表面結(jié)構(gòu)的邊界約束條件，建立納米顆粒分布模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)，開發(fā)單層多功能薄膜的制備工藝；實(shí)驗(yàn)研究并測(cè)試其光學(xué)特性、動(dòng)態(tài)接觸角、表面粗糙度、溫度和幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)以檢驗(yàn)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(dòng)太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。

針對(duì)微機(jī)械構(gòu)件的服役性能與制備工藝關(guān)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(diǎn)研究了利用光纖耦合機(jī)理來測(cè)量懸臂梁橫向固有振動(dòng)頻率的方法，較好地解決了“施加微小載荷”和“檢測(cè)微小位移”兩方面的問題；采用靜態(tài)壓入檢測(cè)的方法，設(shè)計(jì)了微結(jié)構(gòu)專用的微機(jī)械性能測(cè)試儀，能夠檢測(cè)微結(jié)構(gòu)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(xiàng)指標(biāo)；發(fā)明了研究微結(jié)構(gòu)沖擊載荷作用的微沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，并對(duì)微機(jī)械制造中常用的幾種材料進(jìn)行了微沖擊實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)研究過程中還完善了微機(jī)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(chǎng)價(jià)值和工藝代表性的微功能器件。 2100433B

采用理論及實(shí)驗(yàn)的方法來研究大型航空器設(shè)計(jì)所涉及的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和新一代高強(qiáng)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(gè)可重現(xiàn)且可靠的疊層板制備工藝。通過無損檢測(cè)技術(shù)，研究疊層板的制備缺陷，比較纖維增強(qiáng)鋁合金層板與纖維增強(qiáng)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(yīng)力層板靜強(qiáng)度和疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴(kuò)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(duì)成型后層板界面分層和殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)微納米材料的制備與應(yīng)用研究》(作者酒紅芳)簡(jiǎn)要論述了中空結(jié)構(gòu)微納米材料的一些概念，對(duì)中空結(jié)構(gòu)微納米材料進(jìn)行了分類，詳細(xì)介紹了一些中空結(jié)構(gòu)微納米材料的制備和性能與應(yīng)用研究，以及中空結(jié)構(gòu)微納米材料的發(fā)展趨勢(shì)和研究動(dòng)向，并提出了制備和應(yīng)用申的關(guān)鍵問題，對(duì)中空結(jié)構(gòu)微納米材料的制備方法和形成機(jī)理進(jìn)行了針對(duì)性的深入分析。

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