Wear and degradation analysis of light management nanofabricated layers

Abstract

The growing global energy demand and crescent search for fossil fuel independence has prompted the development of sustainable energy sources. Photovoltaic technology stands out as a promising solution to meet this demand, with production costs being constantly mitigated by the development of increasingly thinner solar cells, which aim to reduce the use of raw materials and increase production. However, this thickness reduction leads to incomplete light absorption, triggering the need to implement light management strategies. One of these strategies consist of adding nanoscale texturization on the top surface of solar cells, such as a bio-inspired moth-eye pattern, which confers broadband, omnidirectional and angle-independent anti-reflection properties to the surface. This strategy involves the exposure of the nanostructures to external conditions, as they will be present at the top surface of solar modules. Thus, a tribological characterization of this layer is required to quantify the wear and degradation mechanisms. Hence, this study focuses on performing a tribological characterization of silicon moth-eye nanostructured surfaces, obtained through nanoimprint lithography, in a cleanroom environment. This study was conducted using a ball-on-plate configuration for the friction tests and a spherical 5 mm radius counterface, made of bearing steel. The surfaces were tested for two loads, 0.1 N and 0.5 N, as well as for various test cycles (from 1 to 50 cycles). The results of these experiments show that the friction curves possess a repetitive morphology for both loads, being possible to detect the pre-sliding and sliding phases. The higher load tests present an overall longer pre-sliding phase, in comparison with the lower load tests, due to the more mechanically aggressive interaction, which leads to the creation of an intermediate rough surface and delays the polishing mechanism. It is also evident from the chemical analysis of the samples that the presence of iron on the surfaces promotes adhesive mechanisms, resulting in an overall higher friction coefficient for the 0.5 N tests. This evidence only appears after 15 cycles for the surfaces tested with 0.1 N, a point from which friction values begin to rise. Through optical microscopy it was found that the width of the test track was larger for 0.5 N tests and increased with the number of cycles for both loads. Moreover, an additional study conducted on two types of moth-eye structures with similar optical performances was performed, being concluded that shorter connected pillars, which have a smaller roughness, showcase lower friction than taller individual pillars.

A crescente procura global por energia e pela independência dos combustíveis fósseis tem impulsionado o desenvolvimento de fontes de energia sustentáveis. A tecnologia fotovoltaica destaca-se como uma solução promissora para atender a essa procura, sendo que os custos de produção têm diminuído com o desenvolvimento de células solares mais finas, levando à redução do uso de matérias-primas. Contudo, a diminuição de espessura leva a uma absorção incompleta de luz, sendo necessário implementar estratégias de gestão de luz. Uma dessas estratégias consiste na adição de nano-estruturas na parte superior das células solares, tais como padrões inspirados nos olhos de traças (moth-eye), que conferem propriedades de anti-reflexão em banda larga, omnidirecionais e independentes do ângulo à superfície. Esta estratégia implica que as nano-estruturas estejam expostas a condições externas, já que estarão presentes na superfície superior. Portanto, é necessário efetuar uma caracterização tribológica, de modo a quantificar os mecanismos de desgaste e degradação. Assim, este estudo foca-se na realização de uma caracterização tribomecânica de superfícies de silício com nano-estruturas moth-eye, obtidas por litografia por nanoimpressão, em ambiente de sala limpa. Para os testes de atrito, utilizou-se uma configuração de esfera sobre placa e um contra-corpo esférico de aço de rolamento, com 5 mm de raio. As superfícies foram testadas para duas cargas, 0,1 N e 0,5 N, bem como para vários ciclos de teste (de 1 até 50 ciclos). Os resultados mostram que as curvas de atrito possuem uma morfologia repetitiva para ambas as cargas, sendo possível detetar as fases de pré-deslizamento e deslizamento. Os testes com carga maior apresentam uma fase de pré-deslizamento mais longa, devido a uma interação mecânica mais agressiva que forma uma superfície rugosa intermédia e atrasa o fenómeno de polimento. A análise da composição química revelou a presença do mecanismo de adesão, tendo sido detetado ferro nas superfícies, justificando os valores de atrito superiores para os testes de 0,5 N. As superfícies testadas com 0,1 N revelam a presença de ferro apenas após 15 ciclos, ponto a partir do qual os valores de atrito aumentam. Através de microscopia ótica, constatou-se que a largura da pista de teste foi maior para 0,5 N e aumentou com o número de ciclos para ambas as cargas. Foi também realizado um estudo adicional em dois tipos de estruturas moth-eye com desempenhos óticos semelhantes, concluindo-se que pilares conectados e mais curtos possuem menor atrito do que pilares individuais mais altos.