一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计

本发明属于太阳能电池玻璃盖板表面超疏水结构设计领域，尤其涉及一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，所设计的弧面圆台阵列结构能够呈现超疏水功能，同时弧面圆台的弧面结构具有对太阳光减反增透的作用。所设计的超疏水表面能够使太阳能电池玻璃盖板在保持超疏水功能的前提下具有高透光率，实现太阳能电池玻璃盖板表面沉积灰尘的自动清除与对入射太阳光的减反增透，从而使太阳能电池长久维持高光电转换效率。

背景技术：

1、目前我国光伏产业飞速发展，服役环境的灰尘沉积导致玻璃盖板表面透光率显著降低，影响光电转换效率；同时沉积粉尘的传统清洁方式存在人力成本高、耗费能源、易造成玻璃盖板损伤等问题。因此赋予玻璃盖板表面超疏水功能，实现沉积灰尘的自动清除，使太阳能电池长久维持高光电转换效率。但目前存在超疏水微形貌结构制备复杂、透光率低等突出问题。

2、超疏水表面是指水滴的接触角大于150°且滚动角小于10°的材料表面，其在自清洁、防腐蚀和抑冰霜等领域具有重要的应用价值。液滴在固体表面产生的接触角是衡量润湿特性的重要指标，接触角是固、液、气等3界面之间表面张力平衡的结果，张力平衡时体系总能量趋于最低，固体表面上的液滴处于稳定状态。wenzel认为当液滴与固体表面接触时能够将粗糙表面的微形貌结构完全浸没，提出了wenzel方程cos θw=rcos θ其中 θw为液滴接触角、 r为粗糙度因子、 θ为液滴在光滑表面的本征接触角。但液滴对粗糙表面的微形貌结构并不能完全浸润，故cassie-baxter浸润模型被提出，认为接触面是由液滴、固体表面微形貌结构、微形貌结构内部存留的空气等3部分组成，并据此提出cassie-baxter方程cos θt= fsl( frcos θc+1)-1，其中 θt是接触角、 θc是本征接触角、 fs1是液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值、 fr表示粗糙度系数即表面的非光滑程度。材料表面之所以具有超疏水特性，主要是因为微形貌结构形成了较大程度的气-液界面来维持cassie-baxter浸润状态，使得材料表面呈现较大的接触角。微形貌结构是影响水滴在材料表面呈现较高接触角的关键因素，因此超疏水表面制备主要是在具有微形貌结构的粗糙表面修饰低表面能物质，或在低表面能材料表面构筑微形貌结构。

3、在太阳能电池玻璃盖板表面超疏水结构设计领域，玻璃盖板的高透光率至关重要。当光照射到玻璃盖板表面时，有一定比例的光会被反射，还有一定比例的光能够进入物体内部即被物体吸收，而其余的光则能穿透物体继续传播即产生透光率。反射率、透光率、吸收率之和为1，反射率的降低意味着透光率的增加。设计的弧面圆台阵列结构在满足超疏水功能的前提下，弧面圆台的弧面结构可使入射角降低并对太阳光多次反射，从而对太阳光起到减反增透的作用。

4、基于超疏水表面设计原理，该申请专利的发明人在河北省自然科学基金面上项目（猪笼草滑移区超疏水机理与微纳复合结构仿生制备技术研究，e2019208306）、中央引导地方科技发展资金项目（钛合金表面超疏水微纳复合结构飞秒激光制备技术研究，226z1804g）等课题资助下，已开展超疏水表面设计研究，以猪笼草滑移区能够呈现超疏水特性的微形貌结构为仿生原型，设计了超疏水表面并采用3d打印技术与高压静电吸附技术实现其制备，测试结果显示所制备超疏水表面的水滴接触角为152.6°，表明具有良好的超疏水功能（授权发明专利，专利号zl 202010458218.7；学术论文，bioinspired,biomimetic and nanobiomaterials，2022, 11(1): 1-7）。因此，该专利申请人具备超疏水表面设计的基础条件。

5、发明专利202011525996.x公开了一种超疏水表面的设计和制备方法，表面通过切割加工蚀除得到凹坑/凸起的微观表面形貌，微观表面形貌和表面织构复合形成多级微纳米结构，得到机械耐磨性能优良的超疏水表面，这种结构制备效率高、成本低、清洁无污染、适应性强，但其微形貌结构因构建材质的限制而不能应用于太阳能电池玻璃盖板表面。发明专利202011352578.5公开了一种基于马兰戈尼效应的仿生梯度超疏水结构设计方法，基于典型的生物表面疏水结构，通过构建复合阵列结构并安装纳米加热片，在固体表面同时引入结构梯度和温度梯度，在这种因为结构梯度和温度梯度耦合作用而产生的马兰戈尼效应下，液滴发生定向移动与自动滚落，使得固体表面具有超疏水功能；但其微形貌结构因构建材质的限制而不能应用于太阳能电池玻璃盖板表面。

6、综上所述，在太阳能电池玻璃盖板表面超疏水结构设计领域，现有的超疏水表面虽能通过所设计的微形貌结构呈现较好的超疏水特性，但并不适用于太阳能电池玻璃盖板表面领域。因此，本发明提出一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，所设计的弧面圆台阵列结构能够呈现超疏水功能，同时弧面圆台的弧面结构能够对入射太阳光起到减反增透的作用；基于弧面圆台阵列结构特征，结合cassie-baxter浸润模型推导出数学方程，用于计算获取弧面圆台阵列结构的特征参数，确保所设计表面具有超疏水功能。本发明提供的一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，能够实现太阳能玻璃盖板表面沉积灰尘的自动清除与对入射太阳光的减反增透，使太阳能电池长久维持高光电转换效率。

技术实现思路

1、本发明提供一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，其实现超疏水功能的微结构是周期排列的微米级弧面圆台阵列。基于弧面圆台阵列结构特征，结合cassie-baxter浸润模型推导出数学方程，用以精确计算弧面圆台的三维结构参数，使设计的太阳能电池玻璃盖板在保持超疏水功能的前提下具有高透光率。本发明为直接在表面设计微结构来使其具有超疏水功能。为实现以上功能，本发明所采用的技术方案是：

2、一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，其特征在于包含如下步骤：

3、步骤1，设计超疏水表面的微结构，即周期排列的弧面圆台阵列结构；弧面圆台的顶部小圆半径为 r、弧面半径为 r；

4、步骤2，基于cassie-baxter浸润模型推导数学方程，建立弧面圆台阵列结构特征与超疏水功能即水滴接触角之间的数值关系；

5、步骤3，根据建立的数值关系，计算水滴接触角大于150°时对应的弧面圆台阵列的结构特征参数。

6、在上述技术方案的基础上，所述的一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，其实现超疏水功能的微结构是周期排列的微米级弧面圆台阵列。所设计的弧面圆台阵列结构能够呈现超疏水功能，同时弧面圆台的弧面结构对入射太阳光起到减反增透的作用。在特征参数方面，弧面圆台的顶部小圆的半径 r设计成10~15 μm，弧面圆台的弧面结构半径 r设计成45~55 μm。当水滴浸润弧面圆台阵列结构时，相邻弧面圆台之间的空隙能够将空气蓄留在里面，从而形成液-气-固接触界面，据此呈现超疏水功能。当入射太阳光照射弧面圆台的弧面结构时，弧面结构可使入射角降低并对太阳光多次反射，从而对太阳光起到减反增透的作用。

7、在上述技术方案的基础上，所述的一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，数值关系为

8、式中： θt和 θc分别表示接触角理论值和本征接触角，水滴在光滑表面的本征接触角 θc为100°～110°； r、r分别为弧面圆台的顶部小圆的半径、弧面半径； λ为浸润系数，即水滴对弧面圆台的浸润程度,当水滴浮在弧面圆台顶部时 λ=0，水滴完全浸润弧面圆台时λ=1，故0≤λ≤1。

9、在上述技术方案的基础上，将弧面圆台阵列结构特征参数带入数值关系中，调控 λ的取值，计算水滴接触角的理论值，依据接触角理论值是否大于150°来判断设计的超疏水表面是否具有超疏水功能。

10、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的一种采用弧面圆台阵列结构的超疏水表面设计方法，其实现超疏水功能的微结构是周期排列的弧面圆台阵列；基于弧面圆台阵列结构特征，结合cassie-baxter浸润模型推导数学方程，建立弧面圆台阵列结构特征与超疏水功能即水滴接触角之间的数值关系，通过调控特征参数可实现超疏水功能的可控设计，在确保超疏水功能（接触角>150°）前提下还使其具有高透光率。