作为可再生能源，太阳能的充分利用对于早日实现“碳达峰”和“碳中和”具有重要意义。当前全球太阳能行业正经历前所未有的快速发展。然而，来自自然界和人类生产活动的污染物，包括花粉、鸟粪和粉尘等沉积在太阳能电池板表面，会显著降低太阳能电池板的透光率和工作效率，导致其输出功率降低。
根据太阳能发电统计数据，在三个月和一年这两个检测周期内，受到污染的太阳能电池板发电系统的发电量分别比对照系统降低了25%和35%。因此，如何高效地去除太阳能电池板表面的污染物并减少污染物的沉积，已成为工业界和科研人员广泛关注的重点课题。
图1：NC涂层的结构示意图
针对传统超亲水自清洁涂层效率低，耐久性差等问题，东南大学张友法教授团队采用SiO2纳米颗粒和埃洛石（HNTs）纳米管作为涂层填料，正硅酸四乙酯，氨基树脂和丙烯酸环氧树脂作为粘结剂，并引入表面活性剂AOS得到的超亲水溶液，通过喷涂法制备得到透明的超亲水NC涂层。该涂层具有高透明性、超亲水性和水下疏油性，能够有效清除附着在其表面的灰尘和高粘度油污。
正硅酸四乙酯、氨基树脂和丙烯酸环氧树脂作为粘结剂能够与涂层填料及涂层基底化学交联从而提升涂层的机械强度。SiO2纳米颗粒和HNTs纳米管共混后在NC涂层中形成的Nano-composite单元，在吸收涂层在摩擦过程中产生的摩擦热后失去其结构中的水分子出现尺寸收缩，引发涂层发生负膨胀，使涂层结构更加致密的同时，在涂层表面形成压应力，能够有效抑制摩擦过程中裂纹的产生，降低摩擦过程中涂层与基底之间的剪切应力，从而提高涂层的耐磨性能。
图2 (a) HNTs纳米管的长度和直径随温度的变化 (b) NC涂层中Nano-composite单元结构随温度变化
图3 (a) 涂覆和 (b)未涂覆NC涂层太阳能电池板户外放置100天，296天后的自清洁性能对比
该涂层在承受250g载荷的Taber磨耗仪摩擦2000圈，500g载荷0000#钢丝绒摩擦1000次循环后，仍具有良好的亲水性和自清洁性能。
SiO2纳米颗粒在涂层中均匀分布，HNTs纳米管成功负载了大量的表面活性剂AOS，涂层的高致密和HNTs纳米管对AOS的负载作用有效延缓了涂层在泡水过程中AOS的流失速度。在沸水中浸泡120min后，涂层仍保持良好的亲水性。NC涂层优异的耐磨和耐水性使其具备长效的超亲水特性，在长期的自清洁应用中显示出巨大潜力。
根据IEC 61215-2005 10.12.2，SJ/T 11800-2022和GB/T 30984.1-2015等标准，NC涂层应用于光伏玻璃表面，经过紫外、高温、湿-热，冻-融循环和淋雨等检测后保持高透明性和亲水性，具有良好的耐久性。
此外，NC涂层简易的制备方法和能够在室温条件下迅速固化的特性，为其在自清洁领域的广泛应用提供了显著优势。
将该涂层涂覆在太阳能电池板表面，在296天的试验周期内，涂覆涂层的光伏玻璃表面未发现显著的污染物沉积，表现出良好长效自清洁性能。
涂覆该涂层太阳能发电系统的平均输出功率为21.99W，未涂覆系统为16.44W，太阳能发电系统输出功率提高了33.65%，表明其在光伏玻璃表面的应用能够显著提升太阳能发电系统的输出功率，有望为光伏产业的发展提供重要的技术解决方案。
图4 (a) 2023年9月12日至2024年7月3日涂覆NC涂层和空白太阳能电池板的输出功率对比 (b) 2023年9月4日至2023年9月11日涂覆NC涂层之前，NC涂层太阳能电池板和空白太阳能电池板的输出功率对比 (c) 296天内涂覆NC涂层和空白太阳能电池板的平均输出功率及NC涂层太阳能电池板的输出功率增量
该工作以“Negative expansion induced anti-abrasive self-cleaning coatings for enhancing output of solar panels”为题，发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。
文章第一作者是东南大学邓伟林博士，通讯作者为张友法教授。该工作获得了国家自然科学基金（52071076）和浮法玻璃新技术国家重点实验室开放基金（2022KF03）资助。
来源：高分子科学前沿
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