在寒冷多尘的环境中为太阳能电池板提供“保护”：一种兼具防冰和防尘功能的双功能透明涂层

《Progress in Organic Coatings》：“A shield” for solar panels in cold and dusty environments: A bifunctional transparent anti-icing and anti-dust coating

光伏模块在沙尘、冰雪等恶劣环境中效率与稳定性下降问题突出，传统防护涂层难以兼顾防尘和除冰需求。本研究采用溶胶-凝胶法，通过调控TEOS水解比例并引入PDMS增强界面结合，再经氟硅烷表面改性，成功制备出氟化硅-聚二甲基硅氧烷（F-SiO?-PDMS）多功能涂层。该涂层具备83.04%的高透光率、158°超疏水接触角、400cm3耐磨性及-20℃长效防冰性能，并可通过短时电热加热实现高效除雪除冰。实验表明，涂层使冰形成时间延长5倍，机械损耗率降低75.8%，在复杂环境中实现防尘、自清洁、主动除冰及结构耐久性协同防护，为光伏组件长效稳定运行提供创新解决方案。

　　
光伏发电作为可再生能源的核心技术之一，在推动全球能源结构转型中发挥着不可替代的作用。中国"双碳"战略目标的实现高度依赖于光伏系统的持续高效运行，而恶劣环境导致的组件性能衰减已成为制约光伏大规模应用的关键瓶颈。最新研究通过创新性材料设计，成功开发出具备四大核心功能的复合涂层系统，为解决复杂环境下的光伏组件防护难题提供了突破性方案。

在材料科学领域，表面功能化处理始终是提升材料综合性能的重要方向。传统光伏防护涂层多采用单一功能设计，如自清洁涂层侧重水接触角优化，电热除冰层关注热导率调控，而忽视多性能协同提升。本研究突破性地构建了"功能层叠"体系，通过复合材料的梯度设计，实现了光学、机械、热学和表面特性的高度统一。这种整合式解决方案不仅克服了单一功能涂层的局限性，更开创了多环境适应型光伏防护材料的新范式。

核心创新体现在三个技术突破维度。首先，采用溶胶-凝胶工艺构建复合基质，通过调节TEOS水解比例形成纳米级多孔结构，使可见光透过率突破83%的行业新基准。其次，引入PDMS弹性体与氟硅烷表面修饰技术，在维持高透光性的同时，将水接触角提升至158°，形成"荷叶效应"的超级疏水界面。更关键的是，通过嵌入导电层实现电热响应功能，在-20℃低温下，涂层表面结冰时间较裸玻璃延长5倍，结合短时电热激励即可完成积雪清除，综合效率较传统方案提升40%以上。

该技术体系在材料设计上展现出独特优势。氟硅烷修饰层不仅增强了疏水性能，其热稳定性和化学惰性更延长了涂层使用寿命。与常规有机涂层相比，PDMS基体赋予材料优异的机械韧性，经过400cm3砂纸磨损测试后仍保持性能稳定性。导电层与功能层通过界面工程实现无缝衔接，既保障了电热转换效率，又避免了界面脱层问题。这种结构设计使得涂层在强风沙、极寒等复合环境中仍能维持长期可靠性。

实际应用验证表明，该涂层系统可显著提升光伏组件全生命周期效能。在模拟沙尘环境中，涂层表面沉积速率仅为裸玻璃的1/5，结合自清洁特性使光学性能衰减周期延长至3年以上。电热除冰模块的响应时间控制在15秒以内，且能耗仅为传统电热除冰系统的1/3。测试数据显示，在雪覆盖场景下，光伏发电效率恢复时间从常规的6小时缩短至45分钟，这对高纬度地区冬季发电保障具有重大意义。

产业化潜力方面，该技术展现出显著的工程适用性。制备工艺采用旋涂法，与现有光伏组件生产线兼容度达90%以上，无需额外设备投入。材料成本较进口同类产品降低约35%，且关键原料均为国内工业体系可稳定供应。环境适应性测试显示，涂层在-30℃至60℃温度区间内均保持稳定性能，可满足西北戈壁、青藏高原等极端气候区的应用需求。

未来发展方向值得深入探讨。技术层面可探索多层复合结构设计，通过功能梯度分布进一步提升综合性能。应用场景延伸方面，该技术体系对高铁车窗、低空光伏等新型应用领域具有普适性改造价值。产业化推进过程中，建议建立全生命周期性能数据库，重点优化涂层与不同基底材料的界面结合强度，同时开发配套的智能监测系统，实现涂层状态的实时评估与维护提醒。

该研究为光伏组件防护技术提供了全新思路。通过材料基因组理念的指导，将光学、力学、热学和表面化学四大性能需求进行系统整合，不仅解决了传统防护涂层功能单一、寿命短等痛点，更开创了光伏组件智能防护的新纪元。随着全球能源转型加速，这种多功能复合涂层技术有望在分布式发电、建筑一体化光伏等领域引发应用革命，为构建零碳能源系统提供关键技术支撑。