撒哈拉银蚁微纳仿生结构的制备和光热特性研究

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撒哈拉沙漠中地表温度最高可达60-70℃,而生存于此的撒哈拉银蚁可将自身体温控制在相对较低的48-51℃。这是由于银蚁身体表面覆盖具有特殊形状的毛发并且毛发表面具有一种特殊的微纳结构,能够起到增强太阳光反射和热辐射的作用,从而降低其体温。本论文受银蚁毛发结构启发,首先在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜表面制备了银蚁毛发仿生微纳结构,验证了其降温特性。在此基础上,引入由氧化物-金属-氧化物(oxide-metal-oxide,OMO)构成的色散间隙层与仿生PDMS薄膜构成复合结构,研究其在太阳电池中的光热协同管理特性,以实现降低太阳电池工作温度的目的。本论文的主要内容如下;(1)利用纳米压印方法在PDMS表面制备了两种银蚁毛发仿生薄膜,依据其不同的空气间隙结构分别命名为(TAG和BAG),将其贴在超白玻璃上可使玻璃在可见光和近红外波段(0.3-1.6μm)的反射率分别提升17%和4%,在大气透明窗口(8-13μm)的平均红外发射率提升11%,且在整个中红外波段均具有较高的发射率。(2)模仿银蚁身体结构,将TAG薄膜贴敷于对阳光略有吸收的棕色玻璃瓶表面进行室外降温特性测试,研究发现在10:30-14:30期间,相对于未贴膜的对比样品,TAG薄膜可使小瓶中心平均温度降低5.60℃;对于小瓶垂直方向自上而下四个位置:上表面、上部空气、下部空气和下表面平均降温分别为4.38℃、2.86℃、2.22℃和4.17℃。此外,将TAG薄膜贴敷于衣物、皮肤和可穿戴设备时也表现出了明显的降温效果。(3)为降低太阳电池工作温度同时保持电池光电转换效率,需要对波长在1.2-4μm的阳光进行选择性反射。基于银蚁毛发结构,通过引入具有特定色散特性的空气间隙层理论分析了其光谱反射特性。并进一步理论研究了将氧化物-金属-氧化物(OMO)作为间隙层的可见-近红外反射和透射光谱曲线,建立了具有波长选择性的银蚁仿生结构基本模型。(4)利用磁控溅射方法在超白玻璃基底上制备了OMO薄膜,结果表明OMO(Zn O/Ag(Cu)/Zn O)结合PDMS仿生结构在太阳电池工作波长范围的(0.3-1.2μm)平均透过率为82%,在寄生吸收为主的波长处(1.2-4μm)平均反射率为27%,同时并不影响其在红外波段(3-18μm)的发射率。基于其光谱特性理论计算该结构用于太阳电池后的光电特性,结果表明尽管相对短路电流密度将下降1.72%,但仍可带来约7.2℃的温降。该研究显示OMO与PDMS的复合仿生结构对于太阳电池光热协同管理具有一定作用。
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