在光伏玻璃上利用飞秒激光制备超疏水表面，该表面具有优异的自清洁性能和稳定性

《Applied Surface Science》：Femtosecond laser preparation of superhydrophobic surfaces on PV glass with excellent self-cleaning performance and stability

基于飞秒激光蚀刻和化学改性的超疏水光伏玻璃表面制备及性能优化研究。通过分析微结构几何参数（ pillar height, width, interval）与激光加工参数（power, speed, scanning times）对接触角的影响，建立接触角模型和稳定性计算模型，成功制备接触角155.9°且透光性优异的表面，经耐温性（300℃）、耐化学腐蚀性（酸/碱浸泡24h）及机械耐磨性（10次循环/8L水冲击）测试验证稳定性，为自清洁光伏模块提供新方案。

　　本文探讨了一种新型的超级疏水性光伏玻璃表面设计与制备方法，旨在提高光伏模块的输出效率，同时减少清洁所需的水资源。随着全球碳中和目标的推进，许多国家正在加速可再生能源的发展，其中太阳能光伏（PV）技术因其广泛的适用性和相对成熟的产业链，成为最具前景的能源形式之一。根据2024年的数据，全球新增光伏装机容量已达到约560吉瓦（GW）。然而，多数光伏发电设施位于干旱和水资源匮乏的地区，如荒漠和废地，这些地方的光伏模块容易受到灰尘的污染。研究表明，当灰尘堆积密度达到15.84克每平方米（g/m2）时，光伏模块的透光率会下降约52.54%。传统的清洁方式多依赖高压水射流，但这种方法不仅成本高昂，而且消耗大量水资源。因此，构建具有超级疏水性的光伏玻璃表面，成为解决这一问题的有效途径。

超级疏水性涂层在光伏玻璃表面的应用，不仅需要提供自清洁能力，还必须保持玻璃原有的光学性能。近年来，研究人员提出了多种方法，以提升玻璃表面的疏水性和透光性。例如，Torun等人使用氟化二氧化硅（SiO?）纳米颗粒喷涂在硅片和玻璃板上，制备出具有最大接触角174度的超级疏水性薄膜，同时提高了可见光透光率3.5%并减少了反射损失4%。Liang等人通过离子增强化学气相沉积制备二氧化硅基底，再通过KH560修饰和六甲基二硅氮烷（HMDS）处理，制备出透光率94%、接触角153度的超级疏水性涂层。这些涂层在户外环境中保持稳定性能达2个月。Fu等人则采用溶胶-凝胶法，使用HMDS作为修饰剂，制备出低折射率的超级疏水性多孔二氧化硅薄膜，将其应用于钙钛矿太阳能电池后，光电转换效率（PCE）提升了0.78%。然而，这些涂层通常存在稳定性差和机械耐久性不足的问题，主要原因是超级疏水性涂层与基底之间的附着力较低。

与上述方法相比，飞秒激光蚀刻技术能够制备更加稳定的超级疏水性表面，使其在光伏玻璃表面的应用更具前景。近年来，关于基于飞秒激光的超级疏水性表面制造的研究不断增加。Lin等人使用飞秒激光在二氧化硅玻璃表面加工出微坑阵列，发现当脉冲间隔为30微米时，可以实现更大的接触角。通过调整飞秒激光的参数，可以实现不同形态的微纳结构蚀刻。Liao等人设计了一种用于稳定超级疏水性二氧化硅玻璃表面结构的几何参数方法，采用飞秒激光和等离子沉积技术，制备出具有接触角158.1度的超级疏水性表面。Liu等人则使用飞秒激光在玻璃表面蚀刻沟槽型微结构，随后进行化学修饰，获得接触角为155.9度的超级疏水性表面。然而，这种表面的透光率比原始玻璃降低了10%。Yong等人则通过飞秒激光蚀刻，在PDMS表面形成不同边长的方形微结构，并通过控制激光处理与未处理区域的面积比例，制备出具有可调节水滴滚动角的超级疏水性表面。Li等人评估了不同能量密度的飞秒脉冲激光对超级疏水性性能的影响，通过改变激光的能量密度和扫描速度，制备出具有不同粗糙度的微纳复合结构。然而，目前关于使用飞秒激光制备透明超级疏水性光伏玻璃表面的研究较少，且在性能测试和分析方面仍存在较大空白。

本文的研究创新点主要包括以下几个方面：首先，分析了表面微结构的尺寸参数以及飞秒激光加工参数对光伏玻璃表面接触角的影响。在此基础上，通过优化这些参数，获得了最佳的加工方案，从而显著提高了所制备光伏玻璃表面的接触角。其次，所制备的表面不仅具备优良的超级疏水性，还能维持良好的透光性。第三，通过观察水滴在表面的运动过程以及清洁灰尘的效果，直观展示了超级疏水性表面的优异自清洁性能。此外，还对超级疏水性光伏玻璃表面的稳定性进行了研究，发现所制备的表面在300摄氏度的高温下仍具有良好的热稳定性，并且在24小时的酸性或碱性溶液浸泡后依然保持超级疏水性。经过10次摩擦测试或8升水冲击后，表面的疏水性依然良好，表明其具有较强的机械耐久性。

在材料选择方面，本文采用的实验材料为光伏玻璃，尺寸为15毫米×15毫米×3毫米。在进行飞秒激光蚀刻之前，光伏玻璃首先使用无水乙醇和去离子水在超声波清洗器中清洗10分钟，以去除表面附着的油脂、灰尘和其他污染物。随后，使用氮气进行干燥，并密封保存，以确保材料的纯净度和稳定性。

在超级疏水性光伏玻璃表面的制备过程中，主要包括两个主要步骤：飞秒激光蚀刻和化学修饰。飞秒激光蚀刻技术能够精确地在玻璃表面加工出特定的微纳结构，如微柱阵列、微坑、沟槽等，这些结构的几何形态直接影响表面的疏水性能。通过控制飞秒激光的参数，如激光功率、扫描速度和扫描次数，可以调节微纳结构的尺寸和分布，从而优化表面的疏水性。化学修饰则用于增强表面的疏水性，例如通过引入疏水性有机分子或硅烷偶联剂，提高表面的疏水性和自清洁能力。

为了更深入地理解表面微结构的尺寸参数对超级疏水性的影响，本文还建立了网格状微结构的接触角模型。该模型能够模拟不同尺寸参数对表面润湿性的影响，从而指导实验参数的选择。通常，超级疏水性表面的润湿状态包括Wenzel状态和Cassie-Baxter状态，前者是水滴完全浸润表面微结构的状态，后者是水滴部分浸润表面微结构的状态。这两种状态的特性不同，Wenzel状态通常具有较高的接触角，但润湿性较强；而Cassie-Baxter状态则具有较低的接触角，但润湿性较弱。因此，通过合理设计微结构的尺寸参数，可以在保持较高接触角的同时，实现良好的疏水性。

在分析表面微结构尺寸参数对超级疏水性影响的过程中，本文还探讨了飞秒激光加工参数对表面润湿性的影响。飞秒激光的功率、扫描速度和扫描次数等参数都会影响微纳结构的形成和分布，从而改变表面的疏水性。例如，较高的激光功率可能导致更深的微结构，从而增加表面的粗糙度，进而提高疏水性。然而，过高的激光功率也可能导致表面损伤，影响玻璃的透光性。因此，需要在提高疏水性的同时，确保表面的透光性不受影响。通过实验和模拟相结合的方法，可以优化这些参数，以达到最佳的疏水性和透光性平衡。

本文的研究结果表明，通过飞秒激光蚀刻和化学修饰相结合的方法，可以制备出具有高接触角（155.9度）和良好透光性的超级疏水性光伏玻璃表面。此外，该表面在高温、酸碱浸泡和摩擦测试等条件下均表现出优异的稳定性和耐久性，说明其具有良好的实际应用潜力。本研究不仅提供了实验和理论依据，支持飞秒激光基超级疏水性光伏玻璃的推广和应用，还为未来在自清洁光伏模块领域的研究提供了新的思路和技术路径。

总的来说，本文通过系统研究飞秒激光加工参数和表面微结构尺寸参数对光伏玻璃表面疏水性的影响，提出了一种稳定且高效的超级疏水性表面设计方法。该方法在提高光伏模块输出效率、减少清洁成本和水资源消耗方面具有显著优势，同时保持了玻璃原有的透光性和机械性能。随着可再生能源技术的不断发展，超级疏水性光伏玻璃的应用前景广阔，尤其是在干旱和水资源匮乏地区，其自清洁性能和耐久性将极大地提升光伏系统的运行效率和使用寿命。未来的研究可以进一步探索不同材料和加工条件对超级疏水性性能的影响，以期实现更广泛的应用和更高的性能优化。