用于光伏组件应用的纳米SiO?@PVDF自清洁涂层的制备与性能研究

《Progress in Organic Coatings》：Fabrication and performance of nano-SiO 2@PVDF self-cleaning coatings for photovoltaic module applications

针对光伏板积尘导致的效率下降问题，本研究通过喷涂法制备了纳米SiO?@PVDF自清洁涂层，优化了材料比例和改性策略。涂层具有高透光率（88.5%）、超疏水（接触角138.9°）及耐候性，经35次砂纸打磨后仍保持超疏水性能，实际应用中减少积尘28.2%，提升清洁效率78.45%，显著降低功率损失，为干旱地区光伏系统提供可持续解决方案。

　　这项研究聚焦于解决光伏组件因灰尘积累而导致的效率下降问题。随着太阳能技术的快速发展，特别是在干旱和多尘地区，光伏系统的运行面临着一系列挑战。灰尘覆盖在光伏面板表面不仅会阻碍阳光的透射，还会降低其太阳能辐射收集能力，从而影响光伏转换效率。传统清洁方法，如冲洗、擦拭和机械清洁，不仅消耗大量水资源和人力，还增加了光伏系统的运行成本。因此，开发具有自清洁性能的纳米涂层成为解决这一问题的关键方向。

研究人员提出了一种基于纳米二氧化硅（SiO?）和聚偏氟乙烯（PVDF）的自清洁涂层。该涂层通过喷雾法进行制备，采用四乙基正硅酸盐（TEOS）和PVDF作为主要原料。通过引入六甲基二硅氮烷（HMDS）进行疏水改性，并结合γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）偶联剂增强界面结合，实现了对涂层表面微纳粗糙结构和疏水性能的优化。研究发现，通过调整二氧化硅溶胶与PVDF的体积比例，可以显著提升涂层的疏水性与透光性。实验数据显示，该涂层在光照条件下具有高达88.5%的透光率，并表现出良好的机械耐久性，其铅笔硬度达到4H。

此外，该涂层在经过35次砂纸磨损后，其接触角（CA）仍保持在125°以上，表明其具备优异的疏水性能。在紫外线（UV）老化和pH值为1–14的环境中，涂层依然保持稳定的疏水性。这些特性使其在实际应用中具备更强的环境适应能力。当该涂层应用于光伏玻璃后，经过14天的自然灰尘沉积，涂层组的初始灰尘覆盖量比未涂层组减少了28.2%，自清洁效率达到78.45%，有效降低了因灰尘导致的发电功率损失，减少了68.3%。

该涂层的优异性能源于其微纳结构的形成，使得水滴能够在表面形成空气膜，从而带动灰尘颗粒被清除。同时，PVDF中的C-F键对SiO?起到了保护作用，防止其在紫外线照射下发生降解。这种结构不仅提高了涂层的自清洁能力，还增强了其机械稳定性，使其在恶劣环境下依然能够保持良好的性能。此外，该研究通过在西北地区进行实地测试，验证了涂层在真实多尘环境下的有效性，从而填补了实验室数据与实际工程应用之间的空白。

在实际应用中，该技术对于干旱和多尘地区的光伏电站具有重要意义。通过雨水驱动的自清洁机制，该涂层能够有效缓解灰尘积累与水资源短缺的双重压力，显著降低运维成本，提高发电效率，为光伏系统在干旱地区的长期稳定运行提供了一种创新的解决方案。同时，该研究还体现了对国家“双碳”战略的支持，即通过提高能源利用效率和减少环境污染，推动可持续发展。

为了进一步提升涂层的性能，研究人员系统优化了二氧化硅溶胶与PVDF的比例，并调整了疏水改性策略。实验结果显示，当二氧化硅溶胶的添加量为3.0 mL时，均匀分散的SiO?纳米颗粒与PVDF结合，形成了微纳粗糙结构，显著提高了接触角，从95.7°提升至138.9°，同时保持了高透光率。这种结构不仅增强了涂层的疏水性，还提升了其在实际应用中的机械稳定性。此外，通过使用KH-560偶联剂，研究人员实现了PVDF与SiO?之间的化学键合，进一步增强了涂层的界面结合力，使其在恶劣环境下的表现更加稳定。

研究还指出，当前的SiO?@PVDF涂层通常存在一些局限性，如界面结合力不足、天气适应性有限（例如仅具备紫外线抗性）以及自清洁性能主要依赖于实验室模拟验证。而本研究的创新之处在于，通过KH-560偶联剂的化学键合作用，成功解决了有机-无机相分离的问题，实现了多维度的环境适应能力，包括对紫外线辐射、酸碱腐蚀和机械磨损的抵抗。同时，通过结合HMDS的疏水改性与PVDF中C-F键的保护作用，该涂层在实际环境中展现出优异的性能。

本研究还涉及了多种材料的选用与制备过程。TEOS（分析纯）和HMDS（分析纯）购自上海麦克林生物技术有限公司，PVDF购自阿拉丁试剂公司，氨水（NH?·H?O，分析纯）购自四川西龙化工有限公司，无水乙醇（EtOH，分析纯）购自天津福宇化工有限公司，N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）和丙酮（分析纯）购自天津百仕化学有限公司。这些材料的选择和配比对于最终涂层的性能具有重要影响。

在实验过程中，研究人员通过喷雾法制备了SiO?@PVDF自清洁涂层。首先，将TEOS溶解于乙醇中，并利用氨水作为催化剂进行水解和缩聚反应，形成二氧化硅颗粒。随后，通过HMDS与表面硅醇基团反应，将疏水的三甲基硅基团（-Si(CH?)?）引入涂层，同时释放出氨气。为了进一步增强涂层的稳定性，水被加入以完成水解反应并促进交联，然后通过老化处理得到稳定的疏水性二氧化硅溶胶，再将其与乙醇混合用于涂层制备。与此同时，PVDF被溶解于DMF/丙酮的混合溶剂中，以确保其在涂层中的均匀分布。

实验结果表明，这种优化后的涂层在光照条件下具有良好的透光性和疏水性，能够有效减少灰尘对光伏系统的影响。在实际应用中，该涂层不仅提升了光伏组件的发电效率，还减少了因灰尘积累导致的维护需求，从而降低了整体运行成本。此外，该涂层的机械稳定性也得到了显著提升，使其在多尘和高温环境下依然能够保持良好的性能。

研究人员还通过对比实验验证了该涂层的自清洁效果。在自然灰尘沉积后，涂层组的初始灰尘覆盖量比未涂层组减少了28.2%，自清洁效率达到了78.45%。这表明该涂层在实际环境中具备良好的自清洁能力，能够有效减少灰尘对光伏组件的负面影响。同时，该涂层在经过35次砂纸磨损后，其接触角仍保持在125°以上，说明其具备较强的机械耐久性。

综上所述，这项研究为解决光伏组件在多尘环境下的效率下降问题提供了新的思路和技术手段。通过优化纳米二氧化硅与PVDF的比例以及疏水改性策略，研究人员成功制备了一种具有高透光率、强疏水性和良好机械耐久性的自清洁涂层。该涂层不仅能够有效减少灰尘对光伏组件的影响，还具备较强的环境适应能力，能够抵抗紫外线老化、酸碱腐蚀和机械磨损。此外，该研究通过实地测试验证了涂层在实际环境中的有效性，从而推动了实验室数据与实际工程应用之间的衔接。

随着全球对清洁能源需求的不断增长，特别是中国在“双碳”战略下的推动，提高光伏系统的运行效率和降低维护成本成为研究的重要方向。本研究的成果不仅为光伏电站提供了高效的自清洁解决方案，还为未来在干旱和多尘地区的光伏系统发展提供了技术支持。同时，该研究也为其他领域如建筑材料、电子设备表面处理等提供了借鉴，推动了纳米材料在实际应用中的进一步发展。

此外，该研究还涉及了多种化学改性方法的应用。例如，通过引入KH-560偶联剂，研究人员实现了PVDF与SiO?之间的化学键合，从而提升了涂层的界面结合力。这种化学桥接不仅增强了涂层的稳定性，还使其在实际应用中具备更强的耐久性。同时，通过结合HMDS的疏水改性，该涂层在多种环境下均表现出优异的疏水性能，使其在实际运行中具备更强的适应能力。

该研究的创新性在于，通过系统优化材料比例和改性策略，成功制备了一种兼具高透光率、强疏水性和良好机械耐久性的自清洁涂层。这种涂层不仅能够有效减少灰尘对光伏组件的影响，还能够降低因灰尘积累导致的维护成本，提高发电效率，为光伏系统的长期稳定运行提供了保障。此外，该研究还通过实地测试验证了涂层在实际环境中的性能，从而推动了实验室研究向实际应用的转化。

从长远来看，这种自清洁涂层的开发对于提高光伏系统的运行效率和降低维护成本具有重要意义。特别是在水资源匮乏和灰尘严重的地区，这种技术能够有效缓解光伏系统运行中的环境压力，提高其在恶劣条件下的稳定性。同时，该研究也为未来在不同气候条件下的光伏系统提供了适应性更强的解决方案，推动了太阳能技术的可持续发展。

总的来说，这项研究不仅解决了光伏组件在多尘环境下的效率下降问题，还为光伏系统的长期稳定运行提供了技术支持。通过优化材料比例和改性策略，研究人员成功制备了一种具有高透光率、强疏水性和良好机械耐久性的自清洁涂层。该涂层在实际应用中表现出优异的性能，能够有效减少灰尘对光伏组件的影响，提高发电效率，降低维护成本，为光伏系统在干旱和多尘地区的运行提供了创新的解决方案。同时，该研究也为未来在不同环境条件下的光伏系统发展提供了重要的技术基础。