3D打印的中空二氧化硅納米顆粒輻射制冷涂層

來(lái)源： 熱輻射與微納光子學(xué)

器件溫度是半導(dǎo)體光電子器件至關(guān)重要的影響因素,。在太陽(yáng)能電池的運(yùn)行過(guò)程中,，頂部金屬電極由于吸收了太陽(yáng)輻射導(dǎo)致溫度升高,，這嚴(yán)重地影響了太陽(yáng)能電池的效率和壽命,。本文作者希望能夠使用3D打印技術(shù)將輻射制冷材料集成在這些微小的電極上,，實(shí)現(xiàn)電極的局部熱管理,，以提高太陽(yáng)能電池等戶外光電設(shè)備的能效潛力,。為此，作者提出了一種可3D打印的中空二氧化硅納米顆粒（HSNP）合成技術(shù),。該納米顆粒使用原位溶膠-凝膠乳液法合成,，隨后，通過(guò)仔細(xì)選擇聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合物濃度和分子量,，將這些HSNP配制成可打印的糊狀物,。有望應(yīng)用在有著復(fù)雜的3D微觀結(jié)構(gòu)和具有不同曲率的物體表面,。

研究?jī)?nèi)容
3D打印的出現(xiàn)為沿著多面物體的各種表面共形沉積目標(biāo)材料提供了一個(gè)通用平臺(tái)。通過(guò)添加適當(dāng)選擇的粘合劑,，可以使用熔融沉積建模（FDM）在平面（圖1(a)）和斜面（圖1(c)和(d)）上精確地對(duì)HSNP進(jìn)行微圖案化,。通過(guò)FDM技術(shù)創(chuàng)建的線寬為330μm的蛇形圖案如圖1(d)所示。通過(guò)以上測(cè)試證明了使用3D打印技術(shù)將HSNP材料涂在微型電極上是可行的,。

圖1. 3D可打印HSNP的概念圖,。(a) 概念示意圖；(b)硅樹(shù)脂基底上由HSNP組成的印刷線（寬度約330μm）,；(c) 3D打印照片,；(d) 傾斜對(duì)象的3D渲染圖像。
作者提出了一種由中空二氧化硅顆粒組成的輻射制冷材料,，該材料表現(xiàn)出高的太陽(yáng)反射率和熱發(fā)射率,。HSNP的中空形態(tài)增加了太陽(yáng)光譜中的后向散射，導(dǎo)致超高的太陽(yáng)反射率,。堆疊的NP的總反射率是通過(guò)計(jì)算單個(gè)NP的前向和后向散射分布的貢獻(xiàn)來(lái)確定的,。假設(shè)NP具有球形，則根據(jù)方位角定義其散射分布(𝜃) （圖2(a)）,。圖2(b)顯示了單個(gè)HSNP和直徑為500 nm的二氧化硅NP的計(jì)算散射分布,。之后，作者對(duì)3D填充的HSNP和二氧化硅NP進(jìn)行了集成射線波光學(xué)模擬,，將其厚度擴(kuò)展到50μm（圖2(c)）,。可以看到,，HSNP的反射率高于其二氧化硅NP的反射率0.013個(gè)百分點(diǎn),，這種反射率增強(qiáng)主要是由于單個(gè)HSNP的放大后向散射特性導(dǎo)致的。

圖2. HSNP的反射特性,。(a) 單個(gè)NP的角散射分布示意圖,；(b) 單個(gè)HSNP和二氧化硅NP的歸一化角散射分布；(c) 不同厚度下基于HSNP和二氧化硅NP的層的模擬反射率值,。

作者進(jìn)一步通過(guò)比較HSNP樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像來(lái)定性評(píng)估顆粒分散水平（圖3(c)）,。分子量較低的PVP分子表現(xiàn)出排斥力不足,，導(dǎo)致顆粒聚集,。相反，具有過(guò)量分子量的PVP分子從分散劑轉(zhuǎn)變?yōu)檎澈蟿�,，�?dǎo)致顆粒聚集,。使用25mg的PVP，分子量為55000,，總反應(yīng)質(zhì)量為37.8g（圖3(c)左側(cè)第三張圖像）,，獲得最佳顆粒分散體。之后，作者基于既定的PVP條件,，我們使用FDM 3D打�,。▓D3(d)）和噴涂（圖3(e)）。兩種制備的樣品都具有超白色和防眩光的表面,。測(cè)試結(jié)果表明,，噴涂和3D打印的HSNP都表現(xiàn)出幾乎相同的太陽(yáng)能反射率和發(fā)射率值，這突出了該輻射材料在各種應(yīng)用中的多功能性,。
圖4展示了HSNP和二氧化硅NP以及各種參考材料的太陽(yáng)能反射率和熱發(fā)射率測(cè)量結(jié)果,。在太陽(yáng)光譜中，基于HSNP的樣品的平均反射率達(dá)到約0.98,，分別超過(guò)基于二氧化硅NP和白色油漆的樣品約0.1和0.18（圖4(c)）,，這說(shuō)明HSNP有著良好的輻射制冷性能。

圖4. 各種輻射制冷材料的光譜分析,。(a) 測(cè)量HSNP和二氧化硅NP涂層硅的漫反射光譜,。(b) 各種制冷材料的反射率和發(fā)射率值；(c) 材料平均太陽(yáng)能反射率,；(d) 材料平均熱發(fā)射率值,。

最后，作者團(tuán)隊(duì)對(duì)相同的樣品進(jìn)行全天室外冷卻實(shí)驗(yàn),，使用附在樣品上的熱電偶記錄時(shí)間溫度數(shù)據(jù),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括太陽(yáng)輻照度,，如圖5(a)所示,。在峰值太陽(yáng)輻照度（928W/m2）下，HSNP將硅襯底冷卻至甚至比環(huán)境溫度低2.6℃.相反,，參考二氧化硅NP,、PDMS/Ag漿料、白色涂料和白色丙烯酸使溫度升高5.6,、19.6,、10.7和11.8℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，HSNP印刷的硅樹(shù)脂基板保持約平均5℃的溫度,，低于其參考未涂覆樣品（圖5(b)）。

圖5. 戶外實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。(a) 非能動(dòng)冷卻材料的溫度隨時(shí)間,。插圖為樣品照片，從左到右依次為：HSNP涂層,、二氧化硅NP涂層,、白漆涂層,、丙烯酸、PDMS/Ag漿料涂層和裸硅樹(shù)脂基材樣品,；(b) 裸露和HSNP印刷（填充率為10%）硅襯底溫度的時(shí)間變化

結(jié)論與展望
為了將中空二氧化硅納米顆粒（HSNP）材料應(yīng)用于3D打印技術(shù),，作者團(tuán)隊(duì)對(duì)HSNP輻射制冷涂層的制作工藝和涂層特性展開(kāi)了研究。首先作者使用原位溶膠-凝膠乳液法合成直徑在400至700 nm之間,、二氧化硅外殼厚度約為100 nm的HSNP,。研究表明，HSNP的中空形態(tài)增加了太陽(yáng)光譜中的后向散射,，導(dǎo)致超高的太陽(yáng)反射率,。隨后將這些HSNP與精確濃度和分子量的PVP組合以產(chǎn)生3D可打印的糊狀物。進(jìn)一步使用分光光度計(jì)和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀在紫外至中紅外波長(zhǎng)上獲得所得PVP連接的HSNP的光譜,，并進(jìn)行了散射分析,，以闡明HSNP的太陽(yáng)反射率。最后,，作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了戶外實(shí)驗(yàn),，對(duì)HSNP的樣品的輻射制冷能力進(jìn)行了測(cè)試，并將其性能與使用二氧化硅NP,、銀漿,、商用白色塑料和油漆的參考樣品進(jìn)行比較。此外,，流變學(xué)和粘度測(cè)量表明,，所開(kāi)發(fā)的材料可以應(yīng)用于3D多面物體的保形打印。