富勒烯猝灭光生自由基赋能超双疏大气集水水凝胶及其在双面光伏零能耗冷却中的抗紫外研究

《Advanced Science》：Quenching Photo-Induced Free Radicals Endows Superomniphobic Atmospheric Water Harvesting Hydrogels With UV Resistance for Durable Bifacial Photovoltaic Cooling

　　

研究人员报道了一种面向双面光伏（bifacial photovoltaic, PV）面板的零能耗、无液态水冷却策略：将功能化富勒烯C60均匀引入大气集水（atmospheric water harvesting, AWH）水凝胶中，终止光诱导自由基链反应，使水凝胶紫外稳定性提升超过385%。改性水凝胶表面具备超双疏性，水与油接触角均超过160°，可抑制粉尘附着，并在光伏响应光谱内保持92.5–96.0%的透光率。该冷却层测算单位成本可低至9.0美元 m?2，在面板运行时提供550–650 W m?2的日间冷却功率，最高降温14.3°C，使最大功率输出与转换效率均提升9.03%。该技术全球年碳减排潜力达5.3756亿吨CO2，为光伏热管理提供可持续路径。

研究背景与立项依据

双面光伏（bifacial photovoltaic, PV）组件已占全球制造产出75%以上，其背面可捕获环境反射光、额外发电约10%。然而高温与积尘是长期瓶颈：受Shockley–Queisser极限约束，单结硅电池理论效率仅33%，实际超75%入射太阳能转为热，使组件工作温度高于环境40°C以上；温度每升1°C，功率转换效率（power conversion efficiency, PCE）下降可达0.5%，并加速老化。同时钢化玻璃易带静电吸附带电尘粒，干旱少雨区更为严重，导致出力常不足额定值一半。喷水冷却依赖淡水与能耗，难以适配缺水地区。基于吸湿水凝胶昼夜吸脱附的大气集水（atmospheric water harvesting, AWH）蒸发冷却虽零电耗，但水凝胶在日照下产生羟基等活性自由基，引发光氧化链式降解，且极性亲水表面易沾尘。因此，亟需同时解决光老化与污损问题。

研究人员通过开展材料设计与器件集成研究，得出：功能化富勒烯可催化猝灭光生自由基、终止氧化链反应；疏水二氧化硅（SiO₂）涂层赋予超双疏与辐射冷却；所制水凝胶兼具高透光、高吸湿与抗紫外，贴附双面PV后显著降温增效。该研究发表于《Advanced Science》，意义在于克服传统冷却的能耗与水耗惩罚，为高效双面光伏提供免维护热管理与防护方案，并具显著碳减排潜力。

主要关键技术方法

研究人员采用功能化富勒烯（氨基型TAPC与羧基型TCPC）嵌入聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PAM）吸湿水凝胶网络，以氯化钙（CaCl₂）为吸湿盐；通过含氟硅烷改性纳米SiO₂自旋涂覆构建微纳粗糙低表面能涂层。利用电子自旋共振（electron spin resonance, ESR）、密度泛函（density functional theory, DFT）与分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟阐释自由基猝灭机制；通过动态蒸汽吸脱附、力学与光谱表征材料性能；在太阳能模拟器与宁波大学梅山校区户外场（无独立样本队列，仅为标准器件测试）开展双面PV贴附冷却发电实验，并结合COMSOL与地理数据做放大与碳减排预测。

研究结果

2.1 PAM-A_x/C_x-CaCl₂@S水凝胶合成与器件组装

经两步法制备富勒烯嵌入水凝胶并涂覆疏水SiO₂，表征确认F、Si元素与晶体峰存在，涂层不破坏PAM主结构。透光率在PV响应谱达92.5–96.0%；水接触角由85.0°升至167.5°，油由32.9°升至161.4°，实现超双疏且保留水汽通道。

2.2 紫外耐受性与水蒸气吸附行为

高浓度紫外照射后，空白水凝胶拉伸强度由0.19降至0.09 MPa，而富勒烯组维持0.15–0.18 MPa；ESR显示空白有强羟基自由基信号，改性组消失。DFT/MD表明富勒烯π共轭笼为缺电子受体，对·OH捕获自由能降至?3.55 eV、淬灭至?4.66 eV，远优于聚合物自身。水凝胶在90%相对湿度（relative humidity, RH）、30°C吸湿量2.08 g g^?1，脱附可逆，40次循环波动<2%，盐离子流失可忽略。

2.3 实验室双面PV冷却测试

3 mm厚水凝胶双面贴附为最优。1.2 kW m^?2辐照下平均降温6–12°C，冷却功率达655.3 W m^?2。初始衰减延迟比（PDDR）对效率抑制43.75–63.57%，稳态输出提升比（PER）使P_max与效率分别提升12.40%与12.46%。

2.4 户外场测试

宁波秋季度试中，正板最高温由~50°C降至~40–41°C；瞬时P_max提升达25%，日均<5%（受弱光大风影响）。涂层超双疏性测试后不变。单位面积成本8.7–12.3美元 m^?2。放大模拟边缘效应弱，全球年碳减排潜力537.56 Mt，中美合计占54%。

2.5 环境意义与可扩展性

全生命周期看，材料用量低、可剥离处置；氟硅涂层共价接枝、浸出风险低，但非氟替代是方向。自旋涂布不适量产，喷雾涂布可作放大路径。

讨论与结论翻译

讨论指出该技术兼顾零水零电、透光与抗污，适用于高装机体量地区；局限在于PFAS（全氟烷基物质）顾虑与中试工艺转移。结论部分：研究人员通过猝灭光生自由基抑制光氧化，构筑透明、双疏、吸湿且抗紫外的水凝胶。富勒烯嵌入捕获自由基，紫外稳定性提升超385%；90% RH下集水2.08 g g^?1；贴附PV后日间被动蒸发冷却功率550–650 W m^?2，降温14.3°C，效率与出力均增9.03%；全球部署年减碳5.3756亿吨。该设计克服常规冷却能耗与水耗缺陷，为双面光伏提供高效免维护方案。

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