研究意義與關(guān)鍵問題在寒冷氣候地區(qū)，冰雪覆蓋導致的光遮擋已成為制約光伏系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電的主要障礙之一，嚴重時可導致超50%的發(fā)電損失。此外，冰雪遮擋和極寒氣候還可能誘發(fā)“熱斑”失效、機械應力損傷及封裝劣化等一系列結(jié)構(gòu)與性能問題，嚴重威脅系統(tǒng)穩(wěn)定性與使用壽命。

盡管市場上已出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)長期穩(wěn)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(xiàn)快速除冰）、可規(guī)模化制備與長期穩(wěn)定性。但現(xiàn)有光熱薄膜在“透光發(fā)電”和“光熱除冰”之間往往難以兼顧，需要對光學設計進行調(diào)整，以在設備和光熱薄膜之間實現(xiàn)最佳的陽光吸收平衡，成為阻礙其實用化的關(guān)鍵瓶頸。

本研究基于并網(wǎng)商用的光伏組件的戶外運行數(shù)據(jù)，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的嚴重影響，其發(fā)電量損失可達約58%。針對冰雪遮擋問題，提出了一種創(chuàng)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(jié)構(gòu),在不降低可見光透過率的前提下，實現(xiàn)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(huán)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(huán)測試進一步驗證了其穩(wěn)定的除冰性能和出色的能量恢復能力，冬季單日發(fā)電量提升近7.5倍。此外，該薄膜在弱光環(huán)境下亦展現(xiàn)出良好的光熱響應和長期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣泛的實際應用潛力。

為了評估冰雪對光伏發(fā)電的影響，我們收集了位于中國河北保定的一座發(fā)電站并網(wǎng)陣列中晶體硅組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)，晴天周的總發(fā)電量約為538千瓦，而冰雪周的總發(fā)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(jié)構(gòu)的透明光熱薄膜 (moiré-TP薄膜)，實現(xiàn)了從75.8%到93.0%的可調(diào)可見光透射率以及23.0%到65.8%的可調(diào)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(huán)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(xiàn)了嚴重的結(jié)冰現(xiàn)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(xiàn)穩(wěn)定運行。

圖一極寒環(huán)境下太陽能電池的故障問題及應對措施

利用寬帶隙的銫鎢青銅納米顆粒來實現(xiàn)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(zhuǎn)換性能，我們引入了莫爾干涉結(jié)構(gòu)。這種莫爾干涉結(jié)構(gòu)憑借增加高階衍射通道并自然延長光路，展現(xiàn)出了非凡的光管理能力。

我們的研究結(jié)果表明周期為 1.5um，旋轉(zhuǎn)角度為 45°的moiré條紋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了最佳的近紅外光增強效果。為了開發(fā)出一種具有商業(yè)可行性的防冰產(chǎn)品，我們采用了基于卷對卷工藝的納米壓印技術(shù)，以實現(xiàn)透明光熱薄膜的規(guī)模化制造。此外，該薄膜具備出色的季節(jié)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(jié)合，使其在各種實際應用中更具實用性。

圖二 透明光熱薄膜的光學設計與可擴展制造技術(shù)

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(zhuǎn)換之間的內(nèi)在權(quán)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(huán)境條件下的運行范圍并展示了在變化環(huán)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(tài)，這凸顯了其適用于極端寒冷環(huán)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(huán)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。

圖三 透明光熱膜防冰效果展示

為了評估m(xù)oiré-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(jié)構(gòu)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(nèi)（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(chǎn)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(huán)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(jīng)歷了晝夜老化循環(huán)，并且進行了連續(xù)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(tài)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(chǎn)生的大量熱量使其溫度在 3 小時內(nèi)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(tài)，能夠在低溫環(huán)境下運行超過 8 小時，這證明了moiré-TP 薄膜具有持續(xù)的熱生成能力和高可靠性。

總能量輸出計算表明，moiré-TP 薄膜的防冰功能在寒冷環(huán)境中使設備的日能量生成提高了 7.5 倍。不同地區(qū)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(nèi)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(qū)有效增強抗結(jié)冰功能。

圖四 透明光熱膜應用于鈣鈦礦電池上的性能

我們揭示了在寒冷氣候條件下，光伏系統(tǒng)由于冰雪的遮擋作用會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)增強了近紅外光的吸收（約 65%），從而有助于高效光熱轉(zhuǎn)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(huán)中保持持續(xù)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(guī)模的制造過程證實了其在商業(yè)化方面的可行性，而我們的模擬結(jié)果也表明其在全球各地區(qū)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(fā)出智能環(huán)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。

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