光伏纳米双成膜涂层自清洁材料研究

姬明良

身份证号码：37292819880505491X

摘要：由于光伏纳米涂层其在光催化下的降解性能，在太阳能电池组件中得到了广泛的应用。TiO2薄膜是一种在可见光区具有高透过率、高折射率、坚固稳定、在可见、近红外线区域透明、在紫外光区具有很强的吸收性。TiO2具有优良的双亲和性，可杀死细菌及其它微生物，使其不容易粘附于其表面，而附着于其上的污垢，在外部风力、冲刷力、自重等因素的影响下，会从纳米TiO2表面脱落；SiO2膜拥有硬度高，耐磨性好，膜层牢固，结构紧凑，透光率高，散射吸收低，透明区向紫外区扩展等良好的光学性能。

关键词：光伏；纳米双成膜涂层；自清洁材料

1制备方法

1.1制备A层薄膜

(1)将90mL的0.5mol/L的TiCl4溶液，在70℃下磁力搅拌30分钟，然后缓慢地加入10毫升、20毫升、30毫升；40毫升0.3mol/L的Na2SiO3溶液，然后继续搅拌20分钟，然后将0.5毫升的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵添加到其中。

(2)将NaOH溶液滴入，调整pH值到8，使得（1）所获得的溶液发生沉淀，当沉淀充分时，用去离子水清洗、过滤所获得的白色沉淀，以去除大部分Na+和Cl-。

(3)对上述的沉淀混合物进行抽滤，然后将沉淀物取出，置于马弗炉中，在400~700℃的热处理温度下锻烧1小时，得到TiO2-SiO2的复合光触媒材料。

(4)向100毫升容器中称重（2~5）克以上制备的复合光触媒材料，添加15毫升蒸馏水和35毫升无水乙醇，使浆料缓慢地搅拌并逐渐添加到容器中，随后超声波使其充分溶解；制备了一种新型的纳米A膜复合胶浆。

(5)将厚度为0.1微米的膜在衬底上涂布，以获得纳米级的自洁A膜。

1.2制备B层薄膜

(1)制备3毫升蒸馏水和24毫升无水乙醇的水溶液，在0.4mol/L的硅酸钠水溶液中溶解硅酸钠，然后添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵0.5mL。

(2)将1.5mol/L的氯化铵溶液配置成，将氯化铵溶液放在恒温的磁性搅拌机上，将其温度控制在40℃，然后缓慢地向氯化铵溶液中滴入1.2步（1）得到的溶液直到pH值为8，然后继续搅拌1小时。

(3)将得到的沉淀用去离子水清洗，添加含量为（1~3）mol/L的钛酸丁酯，继续搅拌成白色悬浮液，并将其滴入30%的H2O24.5毫升至上述混浊液体中，然后继续搅拌。

(4)将搅拌好的混合液放入微波合成反应器，在130-150℃、功率（100-150)W下进行反应（20-40）分钟，完成反应。

(5)向100毫升容器中称重（2~5）克以上制备的复合材料，按5毫升蒸馏水和45毫升无水乙醇混合而成浆，一边搅拌一边将该浆慢慢倒入容器，再用超声波使其充分溶解；制备了一种新型的纳米级B膜复合胶浆。

(6)使用将大约0.2微米厚的膜涂敷到已喷射过底膜层的板上。在此基础上，将其置于电热套中，将其加热至（60~70）℃、30分钟，以获得具有纳米级自清洗能力的B膜。

B层薄膜设在A层薄膜上构成纳米双成膜涂层。

2纳米双成膜涂层自清洁特性

2.1光催化机理

光催化降解是一种在光作用下，由光催化作用和表面吸附剂发生的一种光化学反应。TiO2的晶体类型主要有金红石型、锐钛型和板钛型，其中锐钛型TiO2的活性最高。并且在其原子或分子的轨道上有一个位于导带和价带之间的空能区；所谓禁带，其宽度为3.2 eV，当波长小于或等于387.5纳米的紫外光照射到TiO2纳米时，其内部价带的电子会吸收光子的能量并跃迁到导带上，形成空穴—电子对，并在其表面迅速迁移，激活被吸附的O2和H2O，产生高活性羟基自由基(OH)和超氧离子自由基(O¯¯¯2)(Ο¯2)。

2.2超亲水性机理

1997年，科学家们发现，TiO2膜在紫外线作用下的亲水性发生了很大的改变，这是因为TiO2膜与TiO2半导体光催化膜发生了明显的接触；接触角从几十°到几十度不等，在紫外线的照射下，接触角快速减小，最终达到或接近于零度，表现出极亲水性。TiO2在光照下的超亲水性是由它的表面结构改变引起的。在紫外线作用下，TiO_2价带电子被激发至导电带，空穴和电子迁移至表面，电子与Ti4+发生反应，并与氧离子发生反应，从而形成Ti3+和氧空位。此时，空气中的水离解作用会在氧气空位上形成一种化学吸附水（即羟基），通过化学吸附水可以进一步吸收空气中的水分子，从而在Ti3+缺陷附近形成一个高亲水性的微区，而表面其余部分依然具有疏水性，从而在TiO2表面上形成一个具有纳米尺度的亲水区，其结构与二维的毛细管效应相似。TiO2在宏观上具有亲水特性，因为其粒径比亲水区域大得多，所以在宏观上具有亲水特性，并且在亲水微区上会吸收水分，使其湿润。

2.3实验和结论分析

在试验之前，先在陶瓷表面涂覆一层纳米双成膜；在试验初期，将铜钱置于瓷片之上形成遮光区域，以作参考；24小时在天然光LED光源中以色温（6000-6500)K进行辐射。经实验，仅红色油墨被铜钱遮挡的部分未分解，其它部位红色油墨的分解作用明显。对含有机物质的红色油墨进行了降解，证实了纳米双成膜涂料的氧化降解。采用接触角测试仪测定了纳米双成膜镀层与水中的接触角，以玻璃为底材，接触角为0,PC作为底材，接触角为10度，说明了其良好的自清洗性能。研究了亚甲基蓝对膜的光催化作用，测定了膜的光解指数为43.6【nmol/（L.min）】。

将均匀的石膏粉末洒在玻璃板上，使玻璃板竖立起来，震动后，用制备的纳米复合薄膜涂料的一面可以很容易地从上面滑下来，但没有纳米复合薄膜的一面，只是脱落了一小块。这种纳米双成膜涂层是由A层和B层构成的纳米自清洗膜，极大地增加了自洁膜与基质的粘附性，极大地改善了膜的使用功能，从而达到了自清洗的目的；另外，加入二氧化硅可以有效地减少二氧化钛表面的接触角，改善其在黑暗中的稳定性。

3纳米双成膜涂层旳増透减反特性

3.1增透减反机理

在相同的太阳能电池中，决定其材质，与在相同条件下所使用的光子数量相比，就是决定了效率的上限。而太阳能电池的转换效率下降的一个重要因素是其对入射光的损耗。因此，提高太阳能板上部的太阳光透过率是一种有效的方法。若在玻璃上涂覆一层防反射薄膜，两种不同界面的光线会互相干扰，使其反射系数下降。

3.2实验和结论分析

在太阳能光伏发电厂进行了一种新型的纳米双成膜涂料对比实验，记录了喷漆后太阳能电池的发电量增发量、发电量增发率，以及涂料的增透率和增发率。对同一并网正常工作的光伏电站，将两组光伏组件分为A组和B组，并对两组组件的数量、安装位置、组串分布范围进行了分析。其工作时间等都是一样的。实际选用的是中电科公司屋顶光伏系统现场一号厂房逆变器编号NB001和NB003的两组，即A组和B组。

结论

在本次统计范围内，采用光伏纳米双成膜涂层自清洁技术的发电组发电总量增加了3.09%。在实际应用中，这种技术能有效地提高太阳能的发电效率。在晴天条件下，日发电量增长速度明显高于平均水平，涂层具有较好的光催化降解性能和超亲水性能；采用双成膜技术喷涂后，发电量仍保持很高的日发电量增发率。参考文献：

[1]杨元凯.光伏发电在新能源可持续发展中的应用[J].电子技术，2021,50(12):288-289

[2]吕双辉.分布式光伏与储能系统的经济性分析与政策研究[D].天津大学，2019

[3]王斯成.加速发展光伏发电保障中国能源的可持续发展[J].中国工程科学，2019,13(09):51-62

[4]孙欢伟.积灰对光伏系统发电效率影响及改善[D].大连理工大学，2019

[5]刘太奇，操彬彬，王晨.纳米TiO2自清洁材料的研究进展[J].新技术新工艺，2019(10):73-76