导言
在建筑行业，能源消耗意识的提高推动了可再生能源技术满足严格的标准和环境目标。为了实现欧盟的零能耗建筑目标，建筑集成光伏(BIPV)，特别是发光太阳能聚光器(lsc)，已被开发为利用可持续太阳能的基本技术。Lsc通常是注入了发光材料在广阔的区域吸收阳光，并重新发射和引导玻璃内部的光线通过全内反射到边缘，在那里它被太阳能电池收集。然而，lsc面临不同的挑战，因为它们的概念依赖于发光材料，即发光体。例如，lsc需要额外的能量传递来激发发光体并重新发射具有较长波长的光，这导致作为缺点的要收获的光谱窄和转换效率低。此外，大多数发光体如有机材料,量子点和钙钛矿纳米晶体,容易随着时间的推移而退化，这会影响系统的寿命和性能。除了这些技术限制之外，成本和安全考虑也很重要，因为高质量的发光体可能很昂贵，有机材料可能不符合国家建筑或消防法规。
鉴于与发光体相关的众多挑战，另一种方法是通过在类似于lsc的设备中采用粗糙的玻璃表面来代替它们，从而允许表面纹理实现重定向光的作用。通常由发光材料执行的功能。虽然类似的概念已经被证明，表面图案化工艺通常很复杂，并且依赖于光刻，将其应用限制在大面积窗户上。一个更健壮和可扩展的替代方案是超快激光直写，可以在各种固体材料上创建随机的表面结构，包括眼镜。该方法实现了单步处理，消除了对大量预处理或后处理的需要，并且为在没有光刻的情况下创建复杂结构提供了更大的灵活性。此外，该超快激光可以彻底改变晶体结构并产生发光缺陷，这可能是有利的，因为它们与lsc相似。事实上，飞秒激光纳米结构玻璃已被用于诸如数据存储,表现出极高的耐久性和热稳定性。然而，迄今为止，还没有关于激光纳米结构玻璃在BIPV中的应用的报道。
在这项工作中，我们率先利用飞秒激光纳米结构玻璃BIPV系统。使用单步飞秒激光直写工艺制造纳米结构玻璃。我们优化了激光加工速度，以在纳米结构具有最大的散射能力，并彻底表征了表面形貌，以及结构和光学性质纳米结构的玻璃表面。此外，构建了概念验证BIPV系统来评估纳米结构玻璃的性能。最后，我们解决了有关实施拟议技术的实际考虑因素，例如透明度，能源预算自清洁能力和长期适用性。这项工作扩大了飞秒激光加工领域的潜在应用能量收集并为进一步推进可再生能源技术。
实验
A硼硅酸盐玻璃晶圆(商业上称为BOROFLOAT®厚度为0.7mm的33)用作基材。激光纹理是在环境空气中使用光谱进行的物理Spirit 1040-16-shg飞秒激光器，其工作波长为520nm，提供324fs的脉冲持续时间，重复率为417 kHz，和大约10微米的光斑直径焦点。通过linosf-theta-ronar透镜(焦距=100mm，波长范围=515-540nm) 将激光点聚焦在玻璃表面上。并对样品进行逐行扫描线性偏振方向与扫描方向对齐。线扫描的间距为10μm，与光斑直径对齐，以确保整个表面被激光图案化。的注量保持恒定在34.4J/cm2，并在200-2000mm/s的范围内调整扫描速度。注意，所使用的通量和重复率被设置为我们系统的最大值，以确保更快速的处理。使用相同设置的更多实验细节可以在参考文献中找到。对于材料表征，激光加工面积为10mmx10mm，对于设备演示，激光处理区域在19mmx30mm的基板上是19mmx20mm。
A扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Supra 40，德国)被用来表征表面形貌激光纹理玻璃。用PANalytical x'pertpro-xrd (malvernpanalytical，Malvern，UK)进行x射线衍射(XRD)以表征晶体结构。使用cukα分析样品的晶体结构1波长为1.540598å 的辐射。以连续扫描模式在20°至60°的2Θ范围内进行测量，步长为0.026°。以202.6° 的Phi角旋转样品以确保衍射信号的均匀性。为了检测可能的缺陷，拉曼光谱是在显微镜系统中进行的(牛津 WITec alpha300 RA +，德国)使用功率为10mW的532nm激光器。识别可能的发光中心缺陷结构，光致发光(PL)光谱(牛津 WITec alpha300 RS，德国)以403 nm的激发波长记录，改变激光功率以分析发光特性。使用配备有积分球的分光光度计(agilentcary 5000，美国)测量总反射率，总透射比，和漫反射率在250-2500nm的波长范围内的玻璃样品。合计吸收率由总反射率(R)和总透射率(T)计算(A = 1-r-t)。用于漫射反射率测量，与纳米结构表面涂有75nm厚的铝增强胶片反射率。
设计了一个定制的实验装置来评估概念验证BIPV系统集成纳米结构玻璃(参见图4)。将微型窗口(0.7mm × 19 mm)的边缘直接放置在光电二极管(Φ20mm)。为了防止来自其他地方的环境和散射光的干扰，3d打印的不透明盖子被放置在周围的光电二极管整个装置都装在一个暗箱内。A氙气灯泡，通过显微镜系统引导并由平面镜反射，用作光源，在玻璃表面以18mm的光斑直径输送约4mW的功率。纳米结构玻璃表面散射光，其中一些指向边缘，在那里它被吸收硅光电二极管生成光电流。的我-V在施加的-5至0.5v的偏压下测量光电二极管的特性(Agilent/hp4145a，USA)。自从光电流由光电二极管产生的入射光的强度成正比，这种配置提供了洞察光照强度到达检测器，从而有可能通过太阳能电池产生能量。
为了实现自我功能，纳米结构玻璃进行了疏水处理，在此期间含氟聚合物使用等离子体增强的化学蒸气施加涂层沉积系统(牛津Plasmalab 80 Plus，德国)。工艺参数设定在250毫托的压力，50w的功率，CHF3流量为100 sccm，a沉积时间5分钟的。前进和后退接触角使用接触角计(Biolin Theta Lite，瑞典)测量。使用以下方法测量前进接触角液滴尺寸从2到5微升，和后退角随着液滴尺寸从5减小到0而测量Μl，液滴速率均为0.1 微升/秒。每次测量重复三次，结果表示为平均值±标准偏差。
纳米结构玻璃的特征
这项研究的主要目的是通过创建能够有效散射光的粗糙玻璃表面，将玻璃上的入射光导向其边缘。因此，研究激光加工速度如何影响表面形貌是重要的。中的照片图1a示出了在200至2000 mm/s的速度下加工的玻璃样品的视觉外观。随着处理速度降低，表面逐渐变得粗糙并且由于光散射而变得不透明，最终在较低速度下呈现发白的颜色。具有最低速度 (200 mm/s) 的样品具有肉眼所见的易碎的纤维状表面。在图1b,相同样品的SEM图像揭示了微观结构演变玻璃表面作为激光加工速度的函数。在较高的速度 (2000毫米/秒) 下，表面表现出熔体排出和积聚，激光扫描线在对角线方向上明显可见。降低速度会导致不同程度的表面粗糙度,导致玻璃纤维变得更长、更致密。这最终导致形成一层复杂的、纤维状的和多孔纳米结构。事实上，观察到的纳米结构是交织在一起的纳米粒子通过蒸气形成的附聚物冷凝期间激光烧蚀类似于在参考文献中观察到的。纳米结构层随着速度的下降而变厚，以200mm/s的速度高达30 µ m厚 (图S1)。指出高重复率 (> 200 khz) 飞秒激光可以在累积脉冲数的玻璃上感应数千摄氏度。在这里，我们的结果表明，热积累增加的激光脉冲，当降低扫描速度，在高重复率 (417khz) 是必不可少的促进纳米结构增长和光散射增加。当然，这伴随着透明度的权衡。此外，在各种缩放级别下观察到的图案在较大区域上的均匀性得到保证。
图1。(a) 照片及 (b)扫描电镜以不同速度 (mm/s) 处理的激光纳米结构玻璃的图像。注意在 (a) 中，激光处理的方形区域之间的透明区域是未处理的透明玻璃基板加工区域的尺寸为1厘米2。箭头指示激光扫描方向。相同的比例尺适用于所有扫描电镜图像。可以在参考文献中找到不同放大倍数下的原始分辨率SEM图像。
根据以前的报道，在表面纳米结构的形成过程中，高强度激光可能在很大程度上改变玻璃表面的晶体结构。XRD和拉曼光谱用于研究晶体结构的可能变化。在这项研究中，硼硅酸盐玻璃被用作起始材料，这是已知的无定形。这是在确认图2a,其中未加工玻璃的XRD光谱显示以 ∼23° 为中心的特征宽峰。有趣的是，激光处理的样品保留了这种无定形性质，在处理后没有出现尖锐的峰，这表明高能飞秒激光仅引起微小的结构变化而不会引起结晶。尽管飞秒激光的能量足够高以蒸发玻璃，但由此产生的纳米颗粒仍然是无定形的，支持了早期的蒸汽冷凝假设。纳米结构形成机制下的高冷却速率。
文章出自：DOI: 10.1016/j.matdes.2025.113745。
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