为太阳能模块盖板玻璃设计疏水、防污涂层：需避免的降解机制

《Energy Advances》：Designing hydrophobic, anti-soiling coatings for solar module cover glass: degradation mechanisms to avoid

抗污涂层在太阳能电池板盖板玻璃上的降解机制研究。通过紫外（UV）和湿热（DH）加速老化实验，分析PFPE和FAS-17涂层的性能变化。结果显示PFPE因醚键光氧化降解，WCA保持稳定；FAS-17涂层在UV下氟碳链断裂导致亲水化，但DH下水解抵抗性较好。XPS分析表明PFPE的C-O键断裂生成COF2，而FAS-17β碳断裂后残留亲水基团。结论：抗污涂层需采用无氧线性氟碳结构并优化厚度。

　　太阳能模块的表面污染是一个严重影响其性能和维护成本的重要问题。随着光伏（PV）技术的发展，光伏发电的单位成本已大幅下降，使其成为全球最经济的电力来源之一。然而，尽管技术进步提高了光伏模块的效率和可靠性，维护成本仍然对太阳能资产的长期运行构成挑战。污染不仅降低了光的传输效率，还可能影响模块的整体发电能力，导致发电量减少。因此，研究如何通过改进材料来减少污染并提高模块的耐用性变得尤为重要。

在这一背景下，研究人员探索了两种常用的抗污染涂层技术：全氟聚醚（PFPE）和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FAS-17）。这些涂层被应用于钠钙玻璃基底，并在实验室环境中进行了1000小时的加速紫外线（UV）暴露测试和潮湿热（DH）测试。测试结果显示，PFPE涂层在紫外线暴露下发生了β裂解，导致中央醚键的破坏，而FAS-17则在C–Si键处发生了光氧化反应。在潮湿热测试中，PFPE涂层因中央醚键的水解而发生降解，而FAS-17则表现出对水解的较强抵抗力。这些结果表明，不同类型的涂层在不同环境条件下表现出不同的降解机制，因此需要识别这些化学结构上的弱点，以开发更耐久的透明抗污染材料。

为了更好地理解这些降解机制，研究人员利用高分辨率X射线光电子能谱（XPS）对涂层表面进行了分析。XPS数据揭示了PFPE和FAS-17在不同测试条件下的化学变化。例如，PFPE在紫外线暴露下，C–F键的含量从44.2 at%降至4.6 at%，表明氟碳物种的大量损失。同时，C–O和C–O–C键的出现则暗示了光氧化和水解反应的发生。相比之下，FAS-17在潮湿热测试中表现出更强的稳定性，其氟碳键的含量下降幅度较小，但仍出现了一定程度的降解，主要表现为硅碳键的断裂和涂层厚度的减少。这些发现为未来开发更耐用的抗污染涂层提供了重要的化学基础。

在实验方法方面，研究人员采用了多步骤的清洁流程，以确保玻璃基底的表面清洁度。清洁后的玻璃基底通过浸涂法应用了两种不同的抗污染涂层。PFPE涂层通过特定工艺施加，而FAS-17则使用了稀释后的溶液。测试过程中，样品被暴露在模拟的紫外线和潮湿热环境中，并在不同时间点进行光学性能和表面化学分析。结果表明，尽管PFPE和FAS-17在初期表现出良好的抗污染性能，但它们在长期暴露后逐渐失去其抗污染特性，导致表面亲水性增加，进而影响发电效率。

此外，研究人员还分析了不同涂层对光学性能的影响。结果表明，这些抗污染涂层的折射率低于玻璃，从而提高了内部反射率，减少了光的损失。PFPE和FAS-17的加权平均透射率（WAT）分别比玻璃提高了0.7%和0.5%，显示出它们在提升光伏模块发电效率方面的潜力。然而，这些提升是暂时的，随着涂层降解，其性能逐渐下降。

在讨论部分，研究者指出，PFPE和FAS-17的降解主要与它们的化学结构有关。PFPE的中央醚键在紫外线和潮湿热条件下容易受到攻击，导致其性能下降。而FAS-17虽然在潮湿热测试中表现较好，但在紫外线暴露下，其氟碳链的断裂使得涂层逐渐失去抗污染能力。这表明，涂层的耐久性不仅取决于其表面的化学稳定性，还与其分子结构的耐受性密切相关。

为了改善抗污染涂层的性能，研究者建议开发不含氧元素的氟碳化合物，这些化合物具有较低的极性，能够有效抵抗水解和光氧化。此外，涂层的厚度也是一个需要考虑的重要因素。较厚的涂层可以提高其机械和化学稳定性，但可能会影响光学性能。因此，在开发新型抗污染涂层时，需要在厚度和光学性能之间找到一个平衡点。

综上所述，本研究揭示了PFPE和FAS-17在不同环境条件下的降解机制，并为未来开发更耐用的抗污染涂层提供了理论依据和实验数据。通过优化涂层的化学结构和厚度，可以有效提高其在户外环境中的稳定性和抗污染能力，从而提升太阳能模块的长期运行效率和经济性。