高透明度、机械强度高的玻璃基双层复合超疏水涂层：实现太阳能电池的自清洁功能

《Progress in Organic Coatings》：High-transparency mechanically robust glass-based dual-layer composite superhydrophobic coating: enabling solar cell self-cleaning

本研究采用溶胶-凝胶浸涂技术制备双层复合超疏水涂层，通过硅烷偶联剂实现化学键合，在保持>90%可见光透射率的同时，获得162.41°静态接触角及75次砂纸打磨循环后的稳定性，有效降低太阳能板表面污染导致的光电转换效率损失（仅1.04%）。

　　随着全球能源结构向可持续性和清洁化方向转变，太阳能光伏技术作为可再生能源利用的核心部分，受到了广泛关注。太阳能电池作为太阳能应用的关键组件，其性能直接影响发电效率以及光伏系统的经济性。然而，在实际应用中，太阳能电池常常暴露在户外环境中，容易受到灰尘堆积和雨水腐蚀的影响。这些因素不仅会导致光透过率下降，还会显著降低光伏转换效率。此外，局部过热或腐蚀问题也进一步缩短了太阳能电池的使用寿命。特别是在干旱、多尘的地区，这一问题尤为严重。目前的清洁方法主要依赖于人工或机械清洁，这些方式不仅成本高昂，而且难以满足频繁维护的需求。

近年来，超疏水涂层因其独特的表面特性，在太阳能电池清洁领域展现出广阔的应用前景。这类涂层具有极低的表面能，主要归因于其立体的微米和纳米级粗糙结构。因此，它们能够有效排斥水分，使水滴在表面形成球状并迅速滚落。这种作用能够将灰尘和污垢携带走，从而实现自清洁功能。涂层的制备方法也呈现出多样化的发展趋势，包括模板辅助合成、化学气相沉积、激光/等离子蚀刻、溶胶-凝胶法、喷涂法等。研究人员普遍认为，固有的超疏水性来源于微纳米粗糙结构与低表面能修饰的协同作用。然而，值得注意的是，表面纹理化引起的光散射现象在光学敏感的应用中会造成透明度与耐用性的基本矛盾，这一矛盾在光学应用中尤为突出。这种悖论促使了对光学适应性超疏水涂层的新兴研究。

在众多研究中，使用氟化低表面能修饰剂的超疏水涂层成为主流。这类涂层因其高透明度、优异的防水防油性能以及表面修饰效率而受到青睐。然而，其环境持久性也带来了生物累积的生态和健康风险，从根本上限制了其可持续应用。近年来，硅纳米粒子基的超疏水涂层逐渐受到重视，这些涂层具备光学透明度、化学稳定性和成本效益，而溶胶-凝胶法作为主要的制备手段，因其工艺可控性和功能化适应性而被广泛采用。例如，Ghodrati等人通过一步溶胶-凝胶法实现了162°的水接触角，该方法使用四乙氧基硅烷前驱体在碱性催化剂作用下形成球形硅纳米结构。随后，这些纳米结构被聚二甲基硅氧烷（PDMS）修饰，从而获得具有化学耐受性的超疏水涂层。Kavya等人则结合水热和溶胶-凝胶法生成了超疏水硅纳米粒子悬浮液，并将其喷涂沉积在部分固化的聚氨酯表面。这一过程实现了166°的水接触角。

随着研究的不断深入，超疏水涂层已经从单一功能表面发展为集成了多种先进技术的多功能系统。这一发展趋势不仅提升了材料性能，还拓展了其在多个领域的创新应用。例如，Yang等人通过喷涂POTS修饰的Al?O?/nano-SiC/SEBS复合材料在石墨烯膜上，制备了超疏水涂层（ASS-GM），该涂层在恶劣环境中仍能保持156°的接触角。这项工作为提高设备的可靠性和耐久性提供了实用的电子涂层解决方案。Yin等人则通过浸涂法制备了具有光催化作用的超疏水纳米结构应变传感器（NBSS），系统中的二氧化锰（MnO?）纳米颗粒使超疏水性和光催化作用协同作用，实现了自清洁功能。Zha等人通过顺序的苯胺/多巴胺聚合和PDMS/CB修饰，开发了一种具有多功能性的三维Janus太阳能蒸发器，克服了污染积累和热效率低的限制，实现了多功能集成，为太阳能驱动的海水和污染水净化提供了可持续的方法。Peng等人通过修饰环氧树脂表面，采用多壁碳纳米管（MWCNTs）/氧化铁（Fe?O?）和POTS，开发了一种具有高导热性和超疏水性的仿生复合涂层。这种涂层有效缓解了环氧树脂相关的热管理故障和湿气侵蚀问题。Han等人则开发了一种ZnO/SiC/环氧树脂的双复合薄膜，其中PU修饰的ZnO/SiC和POTS协同作用，提升了导热性和超疏水性，克服了以往单一功能性的局限，为多功能热管理材料提供了集成解决方案。

因此，超疏水涂层已经超越了单纯的防水功能，发展为多功能系统。这些系统集成了多种功能，如光电性能、热传导、传感或催化作用。这种集成化策略已成为该领域的重要研究方向。因此，本研究将超疏水表面与光伏领域相结合，通过在太阳能电池的玻璃盖板上应用透明的超疏水涂层，实现自清洁功能。利用超疏水涂层的自清洁特性，可以有效减少因表面污染导致的光伏效率损失，从而降低光伏系统的运行和维护成本。然而，目前的透明超疏水涂层仍面临一个关键问题：光学透明度与机械强度之间的固有矛盾。这一矛盾限制了其实际应用。为了解决这一挑战，本研究开发了一种纳米复合超疏水涂层，该涂层不仅具有高透光率（>93%），还具备增强的耐久性（抗磨性>50次），特别适用于太阳能电池的应用。通过利用超疏水涂层的自清洁功能，可以有效减少因表面污染引起的光伏效率损失。

在本研究中，使用的材料包括实验室玻璃片（Fan Chuan品牌，尺寸为75mm×25mm×2mm）、商用普通玻璃片（65mm×65mm）以及太阳能电池（多晶硅，65mm×65mm）作为基底材料。此外，还使用了空气喷枪（喷嘴直径0.3mm）进行涂层的喷涂处理。化学试剂包括γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH-550，纯度99%）、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-560，纯度97%）、四乙氧基硅烷（TEOS，纯度98%）、氨水（NH?·H?O，浓度28%）、六甲基二硅氮烷（HMDS，纯度98%）、乙醇（纯度95%）以及无水乙醇等。这些材料的选择和配比对最终涂层的性能具有重要影响。

为了系统研究涂层在玻璃表面的形成机制，本研究采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，型号Nicolet IS10，Thermo Fisher，美国）在400cm?1至4000cm?1的波长范围内对涂层进行表征。此外，还使用了X射线光电子能谱仪（XPS，型号ESCALAB XI+，Thermo Fisher，美国）检测涂层的化学组成。通过这些表征手段，可以深入了解涂层的化学结构和微观形貌。同时，对不同试剂修饰后的二氧化硅晶体结构也进行了分析，使用了X射线衍射仪（XRD）进行研究。这些分析手段为评估涂层的性能提供了科学依据。

本研究的结果表明，通过溶胶-凝胶法合成的复合超疏水涂层在玻璃表面实现了优异的自清洁功能。在实验过程中，KH-550和KH-560在常温下发生水解反应，生成硅醇，同时保留其未水解的氨基和环氧基团。这些硅醇物种随后与制备的二氧化硅颗粒表面丰富的羟基形成化学键。通过这一过程，KH-550修饰的二氧化硅颗粒获得了优异的疏水性能。此外，HMDS修饰的疏水纳米二氧化硅作为顶层结构，进一步增强了涂层的疏水性。通过这种双层结构设计，本研究成功实现了太阳能电池的自清洁保护功能。实验结果表明，该涂层在接触角测量和紫外可见分光光度计测试中表现出优异的超疏水性（静态接触角162.41°）和光学透明度（可见光透过率>90%）。通过太阳能模拟器评估的光电流密度-电压特性显示，该涂层在应用于太阳能电池板时，仅导致1.04%的光电效率损失。其他全面的分析和抗磨测试进一步确认了该涂层在75次砂纸摩擦循环后仍能保持超疏水性。这种不含氟的环保型涂层在智能光伏清洁系统和下一代智能窗户中展现出广阔的应用前景。

本研究的成果不仅为解决太阳能电池的自清洁问题提供了新的思路，还为开发多功能的环保型材料提供了参考。通过优化涂层的结构和组成，可以有效平衡光学透明度与机械强度之间的矛盾，从而提升其在实际应用中的性能。此外，这种涂层的制备方法也具有较高的工艺可控性和可扩展性，适合大规模生产。因此，本研究在推动光伏技术发展的同时，也为其他领域的材料科学提供了有价值的探索方向。