硅晶纳米表面成膜涂层自清洁材料的研究和应用

陈学云

大唐青海能源开发有限公司

摘要：传统光伏面板都镀有AR膜用来提高发电量，但是在使用过程中会受到外界因素影响。灰尘和鸟粪覆盖在组件上，形成遮挡现象，直接导致组件功率输出下降，而且积尘和鸟粪长期粘附对板面具有一定的腐蚀作用。严重时会造成组件的热斑，进一步降低组件的输出功率，甚至影响组件的寿命。并且热斑效应对于组件来说是不可逆的，一旦出现没有弥补的手段，只能选择更换组件，否则会影响发电量。而人工清洗成本高，且人工质量无法保证。

关键字：硅晶纳米、自清洁、涂层、超疏水

引言：国内查阅到的自清洁涂膜技术步骤繁琐、效率低、速度慢，人员技术差异化大，镀膜薄厚不均匀，易损伤板面，对人员技术要求较高，大面积施工人员需求量大，人工成本高。膜层由于材料特性和人工施工差异性较大影响，经过两到三年运行之后会脱落形成的斑块，对光伏板面影响极大，轻则降低发电量，重则形成热斑损坏板面。从新材料研发到自动清扫机器人，再到表面涂膜和人工清洗，不仅受应用场站类型和改造成本限制，效果也不算理想。

研发目的

近年来，硅晶纳米技术在材料科学领域取得了显著进展。硅晶纳米表面成膜涂层作为一种新型自清洁材料，通过调控纳米结构，实现对表面能、润湿性和光催化性能的优化。这种材料能够利用光能、热能等自然能源，驱动表面污染物的分解和脱落，从而保持表面的清洁。硅晶纳米材料因其独特的物理化学性质，在自清洁领域展现出巨大的应用潜力。硅晶纳米表面成膜涂层自清洁材料作为一种创新性的技术，旨在解决光伏器件表面污染问题，提高光电转换效率。通过对硅晶纳米涂层进行深入研究，期望能够开发出一种具有高效自清洁性能、良好稳定性和耐久性的光伏镀膜材料。这不仅有助于提高光伏器件的性能和可靠性，还为清洁能源产业的可持续发展提供了新的解决方案。

一、硅晶纳米表面成膜自清洁涂层的应用

疏水型纳米自清洁涂层：如图1所示疏水涂层能使水滴在表面形成球状，从而减少与表面的接触面积，使污垢难以附着。这种涂层通常由疏水有机聚合物或纳米结构组成，如氟烷基化合物或二氧化硅纳米颗粒。疏水涂层除了可以应用在建筑物的外墙、屋顶和窗户等表面，防止水滴停留和附着，减少污染物的沉积，保持建筑物外观的清洁和美观，还可以应用在汽车的车身表面，防止水滴和污垢的附着，减少清洗和维护的频率，同时提高车身的光泽度和耐久性。还有应用在眼镜、相机镜头、手机屏幕等光学器件表面，防止水滴和指纹的附着，提高透明度和清晰度。也能应用在医疗设备、手术器械和医用材料表面，防止液体和细菌的附着，减少交叉感染的风险。还能应用在食品包装袋、饮料瓶等容器表面，防止液体的渗漏和污染，延长食品的保质期。总的来说，疏水涂层的应用领域非常广泛，可以在许多需要保持清洁和防污的场景中发挥作用。

光伏板表面容易受到灰尘、污染物、水珠等的附着，这会降低光伏板的发电效率。疏水型自清洁涂层具有良好的疏水性能，可以使水滴在表面形成球状，从而带走表面的污染物。如图2所示将这种涂层喷涂在光伏板上可以减少光伏板的污染和粉尘堆积，提高光伏板的光吸收效率，增加发电量。同时，疏水型自清洁涂层也能减少清洁和维护的频率和成本，提高光伏板的稳定性和寿命。因此，在光伏领域广泛应用疏水型自清洁涂层有助于提高光伏系统的性能和经济效益。

 

图1疏水型涂层示意图

图2光伏板镀膜对比图

二、自清洁涂层及其制备方法

高强度超疏水自清洁涂层和高强度减反增透超疏水自清洁涂层以及它们的制备方法。使用自清洁涂层来替代传统的清洗方法可以节省巨大的清洗成本。而具有减反增透性能的自清洁涂层不仅扩大了自清洁涂层的应用，同时也具有重要的现实意义，例如，应用于太阳能光伏发电、温室大棚的塑料薄膜、光学透镜以及光伏建筑材料等领域，既可以提高透光率同时也能降低清洗成本。超疏水自清洁涂层的制备最初是受到莲花“出淤泥而不染”的启发，水在其表面的接触角大于 150°，滚动角小于10°，当表面有灰尘或者污垢时，水可以滚落并带走灰尘，从而达到自清洁的效果。制备这种表面所需要的条件是具有合适的微纳结构、较高的粗糙度和较低的表面能。减反增透薄膜通常采用不同折射率的均一薄膜来实现，单层的增透膜只能使某一特定波长的光反射减少增加透射，若要实现宽光谱减反增透就需要叠加多层的不同介质的薄膜。然而，制备超疏水涂层所需要的高的粗糙度恰恰会导致光散射，从而减少光的透射。除此之外，在实际应用中，涂层经常会受到外力的磨损和破坏，进而失去涂层原有的性能，使涂层的使用寿命大大下降。同时，制备过程简单、对设备要求低以及尽可能在常温下制备涂层，都是减反增透超疏水自清洁涂层在实际应用中必不可少的条件。因此，利用简单的方法制备高强度的减反增透超疏水自清洁涂层仍然是一个挑战。

高强度超疏水自清洁涂层的制备方法主要涉及在固体基底上将两种不同粒径的二氧化硅球形纳米粒子进行低表面能物质修饰。这些纳米粒子与四乙氧基硅烷和盐酸一起，通过喷涂的方法制备而成。这种涂层不仅具有良好的超疏水性能，而且机械强度高，制备方法简单，耗时短，对设备要求低，适用于不同基底，适合大规模生产。

高强度减反增透超疏水自清洁涂层的制备则是通过在玻璃基底或其他透明基底上先喷涂粒径为10100nm的二氧化硅球形纳米粒子，然后在其表面制备上述的高强度超疏水自清洁涂层。这种涂层在保持超疏水性能的同时，还具备减反增透的特性，使其在特定应用场景中具有更高的应用价值。

还有的方法是通过提拉或喷涂商业的粘结剂以及二氧化硅、 二氧化钛和十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合溶胶液制备了高强度的超疏水涂层。但涂覆有该涂层的固体基底表面呈现白色，对于透明的基底影响了其使用效果，降低了基底透光率，更不具备减反增透性能。而通过反应离子束刻蚀和化学气相沉积低表面能物质的方法制备了类似蝉翼结构的减反增透超疏水自清洁涂层，涂覆有该涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底在可见光波段内有较高的透光率和良好的超疏水性能。但是此研究中制备方法过于复杂，且需要用到特殊而昂贵的设备，因此不适用于大面积的应用。通过一步喷涂法制备了透明超疏水涂层，并应用到了不同的基底上。 但在此研究中对涂层的强度仅仅进行了冲水和冲沙试验，且所用的水的体积和沙的重量都偏低，涂层的强度较弱，无法适应实际应用的需求。

针对现有技术存在的问题，有必要发展制备方法简单、耗时短、对设备要求低、在常温下即可获得涂层、适用于不同基底、适合大规模生产的高强度超疏水自清洁涂层和高强度减反增透超疏水自清洁涂层的制备方法。

面临的挑战

硅晶纳米表面成膜涂层自清洁材料的研究和应用面临着多方面的挑战。以下是几个主要的挑战：

1. 技术制备难度：硅晶纳米涂层的制备涉及复杂的纳米技术和表面工程，需要精确控制纳米颗粒的尺寸、分布和取向。制备过程中的微小变化都可能对涂层的自清洁性能产生显著影响。因此，实现稳定、高效的制备工艺是一个技术上的挑战。

2. 性能稳定性问题:自清洁涂层需要在各种环境条件下保持稳定的性能，包括高温、高湿、紫外线辐射等。然而，硅晶纳米涂层可能面临性能退化或失效的风险，特别是在长期使用过程中。因此，如何提高涂层的长期稳定性是一个重要挑战。

3. 成本问题:尽管硅晶纳米表面成膜涂层自清洁材料具有潜在的应用价值，但其制备成本相对较高，这限制了其在市场上的广泛应用。如何降低制备成本，提高生产效率，是推广该技术的关键挑战。

4. 应用领域的拓展:目前，硅晶纳米涂层自清洁材料主要应用于光伏领域，但其潜在的应用领域远不止于此。然而，要实现涂层在其他领域的应用，需要解决不同领域特有的技术问题和挑战。

综上，硅晶纳米表面成膜涂层自清洁材料的研究和应用面临着技术制备难度、性能稳定性问题、成本问题、应用领域的拓展以及环境影响评估等挑战。解决这些挑战需要深入研究硅晶纳米涂层的制备技术、性能优化机制以及实际应用需求，同时借助先进的测试技术和设备，为硅晶纳米涂层自清洁材料的广泛应用提供可靠的理论基础和技术支持。。

参考文献

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