《Polymer》：Durable superhydrphobic anti-reflective coating prepared by thermal deposition for photovoltaic cells
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本研究開發了一種新型大規模熱沉積法，成功制備出兼具超疏水性、高透明度（3.3%）和優異機械/熱穩定性（>400℃）的SiO?@Si(CH?)抗反射涂層。該涂層厚度僅200nm，表面粗糙度37.5nm，經自清潔測試后光伏組件發電效率恢復至99.1%，為復雜環境應用提供了新策略。
Jiale Li|Bin Dong|Rongzhang Qiu|Minjie Liang|Yang Cao|Ning Gu|Youyi Sun
中國北方大學材料科學與工程學院，太原 030051
摘要
具有良好耐久性的超疏水抗反射涂層在各個領域都備受需求，并發揮著重要作用。然而，要在超疏水性、透明度和耐久性之間找到平衡點是一個巨大的挑戰。本文介紹了一種新的大規模熱沉積方法，用于制備具有優異超疏水性、透明度和耐久性的多孔SiO2@Si-(CH3)超疏水抗反射涂層。所得涂層的厚度約為200納米，表面粗糙度約為37.5納米。因此，該涂層不僅具有出色的超疏水性，還表現出較高的透明度（約3.3%）、良好的機械性能和熱穩定性（>400°C）以及耐酸溶液性。此外，還評估了這種超疏水抗反射涂層在光伏電池中的應用效果，發現其在超疏水抗反射涂層的作用下，光伏電池的發電效率提高了1.0%，并且在自清潔污染物后可以恢復到99.1%。這項工作為在惡劣和復雜條件下制備超疏水抗反射涂層提供了一種有前景且簡便的方法。
引言
超疏水抗反射涂層可以減少許多光學儀器（如玻璃窗、高功率激光器和太陽能模塊）中的光反射和灰塵污染[1]。由于其工業重要性，抗反射和自清潔表面引起了科學家的極大興趣。眾所周知，傳統超疏水涂層在超疏水性和透明度之間存在明顯的矛盾[2]。通常，為了實現超疏水性，需要較高的表面粗糙度，但這會導致光散射增加，從而降低透明度或增強光反射[2]。因此，開發透明超疏水涂層需要較低的表面粗糙度、較薄的厚度和較低的表面能。已經開發了許多制備超疏水涂層的方法，如噴涂[3]、[4]、蝕刻[6]、化學沉積[7]、逐層（LBL）沉積[8]、旋涂[9]、浸涂[10]、[11]、原子層沉積[12]等。為了進一步降低表面能，還使用低表面能材料（如硅氧烷[13]、[14]、[15]、[16]、氟化聚合物[22]、[23]、[24]、[25]、[26]等對表面進行化學修飾。例如，通過逐層自組裝方法制備了用于高效收集太陽能的超疏水抗反射殼聚糖納米纖維或聚陽離子/聚陰離子)/甲基硅烷化二氧化硅涂層[17]，[28]；通過浸涂方法制備了超疏水抗反射甲基硅烷化二氧化硅涂層或樹脂/改性二氧化硅雙層涂層[20]、[29]、[30]、[31]、[32]；也通過旋涂方法制備了類似的涂層[18]、[33]、[34]。超疏水抗反射Al2O3/PTFE涂層是通過原子層沉積方法制備的[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則是通過化學或物理蝕刻方法制備的[14]。盡管噴涂方法可以方便地制備超疏水涂層，但其透明度較低。相比之下，雖然其他方法（如旋涂、浸涂、原子層沉積）制備的超疏水涂層具有較高的透明度，但由于需要多步驟工藝或苛刻的條件，或者需要特殊試劑和設備[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12]，這些方法難以實現大規模生產。此外，這些超疏水涂層的耐久性較差且成本較高。目前的研究主要集中在提高光透過率和控制超疏水抗反射涂層的潤濕性上[10]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。因此，制備具有高耐久性和低成本的超疏水抗反射涂層仍然具有很大的研究價值。
本文提出了一種新的方法，可以實現超疏水抗反射涂層的大規模生產。與傳統有機-無機雜化涂層相比，該涂層的耐候性和透明度顯著提高，同時由于有機成分較少，其機械性能和高溫穩定性也得到了顯著改善。這種制備方法通用、簡單、成本低廉，適用于多種應用場景，能夠制備出具有良好耐久性的超疏水涂層。
材料
SiO2納米顆粒（50納米）、乙醇、冰醋酸、環氧樹脂（EP, E44）、聚醚胺D230、氨水和丙酮均購自天津大茂公司。PDMS（Sylgard 184）由陶氏康寧公司提供。N-辛基三甲氧基硅烷（OTS）和N-己烷由Aladdin公司提供。
超疏水抗反射涂層的制備
超疏水抗反射涂層是通過噴涂與熱沉積相結合的方法制備的，具體步驟見圖1。首先制備雙層SiO2/EP涂層
結果與討論
本文開發了一種制備具有良好耐久性的超疏水抗反射涂層的新方法。在制備過程中需要注意和控制一些關鍵步驟和條件。首先，將薄層的SiO2納米顆粒噴涂在聚合物涂層表面；如果將SiO2納米顆粒直接摻入聚合物涂層中，經過煅燒后難以形成超疏水表面（見圖1）。此外，涂覆有SiO2納米顆粒的聚合物涂層需要經過煅燒處理
結論
在本研究中，我們開發了一種用于光伏電池應用的大規模生產超疏水抗反射涂層的新工藝。該涂層不僅具有優異的超疏水性，其透明度也比純玻璃基底提高了約3.3%。此外，該涂層還具有較高的機械摩擦阻力、高溫（>400°C）和低溫（-80°C）穩定性，以及良好的耐酸性。
作者貢獻聲明
Youyi Sun：撰寫、審稿與編輯、項目監督、資金申請。
Ning Gu：撰寫、審稿與編輯。
Yang Cao：撰寫初稿。
Minjie Liang：撰寫初稿、方法設計。
Rongzhang Qiu：概念構思。
Bin Dong：數據整理。
Jiale Li：實驗研究。
未引用參考文獻
[19]
利益沖突聲明
作者聲明與本研究無任何利益沖突。我們聲明與所提交的工作無關的任何商業或關聯利益。
致謝
本研究得到了山西省自然科學基金（202204021301049、202304021301030）以及山西省科技創新團隊的專項支持。
