北理工朱城/賀志遠/陳棋團隊AM：新型透明光熱防冰膜，助力鈣鈦礦光伏極寒發電！
2025-07-10 11:42:16
作者：本網發布 來源：高分子科學前沿
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研究意義與關鍵問題
在寒冷氣候地區，冰雪覆蓋導致的光遮擋已成為制約光伏系統穩定發電的主要障礙之一，嚴重時可導致超50%的發電損失。此外，冰雪遮擋和極寒氣候還可能誘發“熱斑”失效、機械應力損傷及封裝劣化等一系列結構與性能問題，嚴重威脅系統穩定性與使用壽命。盡管市場上已出現多種加熱除冰方案，如電加熱、電池自熱、以及帶光熱材料的涂層等，但這些方案要么功耗高、能效低，要么存在結構復雜、可靠性差、維護成本高等問題，難以滿足大面積戶外光伏系統長期穩定運行的需求。理想的光熱防冰解決方案應具備三大特性：高光透過性（保障電池正常工作）、高光熱效率（實現快速除冰）、可規?；苽渑c長期穩定性。但現有光熱薄膜在“透光發電”和“光熱除冰”之間往往難以兼顧，需要對光學設計進行調整，以在設備和光熱薄膜之間實現最佳的陽光吸收平衡。成為阻礙其實用化的關鍵瓶頸。本研究基于并網商用的光伏組件的戶外運行數據，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對光伏系統發電性能的嚴重影響，其發電量損失可達約58%。針對冰雪遮擋問題，提出了一種創新的透明光熱除冰薄膜設計策略。通過在光熱薄膜上引入具有周期干涉效應的莫爾結構,在不降低可見光透過率的前提下，實現了高達93.0%的可見光透過率和約65.8%的近紅外吸收率。研究證實，該米級柔性光熱薄膜可在 −20?°C 的戶外環境下保持光伏組件表面無冰覆蓋。應用于鈣鈦礦太陽能電池的日夜循環測試進一步驗證了其穩定的除冰性能和出色的能量恢復能力，冬季單日發電量提升近7.5倍。此外，該薄膜在弱光環境下亦展現出良好的光熱響應和長期穩定性，展現出廣泛的實際應用潛力。
要點一：為了評估冰雪對光伏發電的影響，我們收集了位于中國河北保定的一座發電站并網陣列中晶體硅組件的發電量數據，晴天周的總發電量約為 538 千瓦，而冰雪周的總發電量僅為 223 千瓦。這種顯著的差異凸顯了冰和雪在太陽能組件上堆積所造成的嚴重能量損失。為解決冰/雪覆蓋造成的遮擋問題，我們制造了一種具有干涉結構的透明光熱薄膜 (moiré-TP薄膜)，實現了從 75.8% 到 93.0% 的可調可見光透射率以及 23.0% 到 65.8% 的可調近紅外吸收率。這種靈活性使我們能夠針對各種實際場景進行定制。我們將光熱薄膜應用于基于 FAPbI3的鈣鈦礦太陽能電池封裝玻璃上作為防冰層。在 -20°C 的環境溫度下，接受 AM 1.5G 太陽光照的情況下，未使用moiré-TP 薄膜的器件出現了嚴重的結冰現象，導致短路電流密度（JSC）大幅下降，這是由于可見光的反射和散射增強所致。相比之下，使用moiré-TP 薄膜的器件有效地融化了冰層，從而能夠在極端條件下實現穩定運行。
要點二：利用寬帶隙的銫鎢青銅納米顆粒來實現光熱薄膜所需的特定光譜選擇性。為了進一步增強近紅外光的吸收能力并提高光熱轉換性能，我們引入了莫爾干涉結構。這種莫爾干涉結構憑借增加高階衍射通道并自然延長光路，展現出了非凡的光管理能力。我們的研究結果表明周期為 1.5 um，旋轉角度為 45°的moiré條紋結構實現了最佳的近紅外光增強效果。為了開發出一種具有商業可行性的防冰產品，我們采用了基于卷對卷工藝的納米壓印技術，以實現透明光熱薄膜的規?；圃?/span>。此外，該薄膜具備出色的季節性管理，背膠的設計使得moiré-TP 薄膜可以在夏季輕松揭下防止熱量過分積累。可擴展的制造方式與持久的粘合性相結合，使其在各種實際應用中更具實用性。
要點三：我們進一步研究了透明莫爾干涉薄膜的光熱性能，以評估其除冰能力及工作溫度范圍。薄膜透明度與光熱轉換之間的內在權衡，即增強防冰性能會自然降低透明度，反之亦然。通過光強-溫度相圖和透過率-溫度相圖預測了其在不同環境條件下的運行范圍并展示了在變化環境下除冰能力，在透過率（Tv）為 82.0% 時，這種moiré光熱光薄膜在單太陽光照下，在 -30 °C 的臨界溫度下仍保持無冰狀態，這凸顯了其適用于極端寒冷環境的特性。我們還在實際場景中進一步驗證了我們這種可擴展薄膜的除冰效果。我們將moiré-TP 薄膜應用于中國寧夏的運行中的太陽能電池板上，這些電池板處于約 0.6 - 0.7 個太陽輻射強度的戶外溫度環境中，溫度范圍從 -1 °C 到 -18 °C。帶有moiré-TP 薄膜的電池模組保持表面清潔，沒有積雪或薄冰層。
要點四：為了評估moiré-TP 薄膜在太陽能電池運行過程中防冰的效果，我們將其應用于具有 p-i-n 結構的封裝型鈣鈦礦光伏器件上。moiré-TP 薄膜在該器件的有效光吸收范圍內（300 - 795 nm）保持了出色的透射率。這表明該器件能夠保持其原有的高效率，而不會因防冰層而產生額外的能量損失。由于冰層對可見光的嚴重反射和散射，這極大地降低了光電流，導致性能下降了 82%，說明低溫環境對鈣鈦礦的應用造成了極大阻礙。我們把帶有和不帶有moiré-TP 薄膜的器件在 -20°C 的條件下經歷了晝夜老化循環，并且進行了連續的最大功率點跟蹤（MPPT）測試。在模擬夜間（設備處于不工作狀態且保持在 -20 °C 時），封裝器件的表面積聚了一層厚厚的冰層。在白天，處于 AM 1.5G 單太陽光照下，moiré-TP 薄膜產生的大量熱量使其溫度在 3 小時內上升了 28 °C，從而導致冰層完全融化。該設備的效率逐漸恢復到了初始狀態，能夠在低溫環境下運行超過 8 小時，這證明了moiré-TP 薄膜具有持續的熱生成能力和高可靠性?？偰芰枯敵鲇嬎惚砻鳎?/span>moiré-TP 薄膜的防冰功能在寒冷環境中使設備的日能量生成提高了 7.5 倍。不同地區的溫度和光照強度存在顯著差異，這影響了光伏電池在全球范圍內的應用部署。我們證明了moiré-TP 薄膜能夠在北回歸線至北極圈之間的地區有效增強抗結冰功能。
我們揭示了在寒冷氣候條件下，光伏系統由于冰雪的遮擋作用會出現嚴重的電力輸出損失（約占總電量的 58%）。為了避免犧牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可見光透射率的同時，利用其moiré結構增強了近紅外光的吸收（約 65%），從而有助于高效光熱轉換和防冰功能。就鈣鈦礦電池的防冰性能而言，它證實了可靠的防冰功能，能夠保持最大功率點運行 8 小時，并在七次循環中保持持續的冰融化效果。這種薄膜有效地保護了鈣鈦礦器件免受冰雪造成的遮擋影響，使得冬季的每日電力輸出幾乎增加了7.5倍。米級規模的制造過程證實了其在商業化方面的可行性，而我們的模擬結果也表明其在全球各地區用于防冰應用方面具有實用性。最后但同樣重要的是，moiré-TP 薄膜獨特的光譜選擇性、可重復的附著力以及與各種基底的兼容性，使其成為多種透明應用和光電設備的有前景的候選材料。在實際應用中，我們期望未來開發出智能環境響應型透明光熱材料，以滿足moiré-TP 薄膜對鈣鈦礦電池防冰性能的要求。賀志遠，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，中國科學院青促會會員。從事表面防結冰材料、防污防腐材料研究，主持包括自然科學基金重點基金、面上基金；北京市重點基金等10多項；應邀在“2019 MRS Fall Meeting”、“16th Pacific Polymer Conference”等重要國際學術會議做邀請報告。相關工作多次被Nature, Nature Materials, Matter, Chem等國際權威期刊作為亮點專題報道。相關控冰材料，在2020年3月4日被英國材料、礦物和礦業學會IOM3（The Institute of Materials, Minerals and Mining）作為亮點工作報道并推廣。發表文章60余篇，包括Nature Protocols、Nature Comm.、Sci. Adv、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、 Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.、PNAS等，申請國家發明專利40項，已授權10余項。朱城，北京理工大學前沿交叉科學研究院助理教授，博士期間獲北京理工大學最高榮譽獎學金——徐特立獎學金。主要研究方向為有機無機雜化鈣鈦礦半導體材料和復合功能薄膜的開發，可用于制備薄膜太陽能電池、柔性可穿戴光伏器件、高能輻照探測器等多類新型光電半導體器件。研究人基于同步輻射X射線技術，圍繞鈣鈦礦材料微結構與光電響應多層次構效關系，探索多場耦合環境下材料退化機制與光伏器件失效分析，開發了材料取向演化、應力-應變調控及界面修飾等策略系統優化載流子動力學行為與器件穩定性，相關研究成果已發表學術論文40余篇，以第一/通訊作者（含共）在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letter、Joule、ACS Nano等雜志中發表SCI論文10余篇，論文總引用超5000次。在中國卓越行動計劃高起點期刊Exploration擔任青年編委，擔任國際著名期刊Nature、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters等獨立審稿人。T. Hao,P. Zhang,C. Chi,Y. Wang,W. Zhang,X. Chen,D. Wang,X. Chen,J. Ye,W. Chen,F. Kang,Y. Bai,Q. Chen,C. Zhu,Z. He,Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates.Adv. Mater.2025, 2507034.
https://doi.org/10.1002/adma.202507034
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