光伏組件自清潔技術(shù)

北京化工大學(xué) ■ 徐瑞芬

0 引言

本世紀(jì)以來(lái)，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展迅猛，光電轉(zhuǎn)換效率在經(jīng)歷了早期迅速提升后，由于已逐漸接近理論極限值，突破性技術(shù)的研發(fā)速度已進(jìn)入平穩(wěn)期。在這種情況下，其他因素對(duì)組件發(fā)電效率和發(fā)電量的影響逐漸凸顯，其中，灰塵遮擋對(duì)組件的影響逐漸成為一個(gè)重要的研究課題。光伏組件自清潔技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。

自清潔技術(shù)是指具備自我凈化清潔能力的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的研究最早開(kāi)展于上世紀(jì)七八十年代，通常以玻璃、瓷磚、水泥等建筑材料為載體。在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用主要是在光伏組件用玻璃面板表面使用自清潔技術(shù)，使玻璃發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，從而不再需要通過(guò)傳統(tǒng)的人工擦洗方法，而在自然雨水的沖刷下達(dá)到清潔狀態(tài)。自清潔技術(shù)的載體為光伏組件玻璃面板[1]，自清潔材料以“膜層”或“涂層”的狀態(tài)與玻璃進(jìn)行結(jié)合，呈現(xiàn)自清潔效果。業(yè)界稱具備這種自清潔能力的玻璃為“自清潔玻璃”，安裝這種玻璃的組件為“自清潔組件”。

1 自清潔技術(shù)分類

自清潔技術(shù)主要按照其侵潤(rùn)性進(jìn)行分類，可分為超親水性自清潔玻璃和超疏水性自清潔玻璃，二者區(qū)別如圖1所示。

圖1 超親水性和超疏水性自清潔玻璃區(qū)別

由圖1可知，α為固體表面與水的接觸角，α＞90°時(shí)為疏水性表面，α＜90°時(shí)為親水性表面。普通玻璃與水的接觸角為30°～40°，所以玻璃很容易形成水珠，且水珠不易滑落；在水干燥過(guò)程中又極易吸附空氣中的灰塵，干燥后形成水痕，長(zhǎng)期積累形成污垢[2]。

當(dāng)使用某種技術(shù)使α＞150°時(shí)為超疏水表面，通過(guò)涂層表面乳突納米結(jié)構(gòu)使水滴極易從玻璃表面滾落，形成俗稱的“荷葉效應(yīng)”。反之，＜5°時(shí)為超親水表面，水滴落在玻璃表面后，均勻鋪展開(kāi)，與玻璃表面達(dá)到最大接觸面積，在重力作用下更易帶走大片的污染物。這樣用更少的清水或雨水就可以將光伏組件表面的灰塵、沙土清除。

目前，市場(chǎng)上所使用的技術(shù)絕大多數(shù)為超親水技術(shù)，這主要是因?yàn)槭杷夹g(shù)雖能實(shí)現(xiàn)一定程度的自清潔效果，但普遍存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：

1)通過(guò)改變材料表面納米形貌使膜層疏水，疏油性卻不好，而電站現(xiàn)場(chǎng)很多灰塵和污染物都含有油性物質(zhì)，油性物質(zhì)極易粘附在玻璃表面；同時(shí)，由于涂層表面疏水，下雨或沖洗時(shí)，水又很難和大面積的油性物質(zhì)接觸而將其帶走。因此，疏水膜層通常具有較差的自清潔能力。

2)多年來(lái)業(yè)界一直公認(rèn)疏水基團(tuán)非常容易與環(huán)境作用，在半年內(nèi)逐漸失去疏水效果，無(wú)法保證長(zhǎng)期使用壽命，從而無(wú)法保證真正意義上的自清潔效果，不如親水性材料。

2 超親水材料

超親水材料在玻璃表面形成的膜層主要有兩種：有機(jī)親水自清潔材料和無(wú)機(jī)親水自清潔材料。有機(jī)親水自清潔材料通過(guò)添加合適的親水化劑可使涂膜形成親水化表面，賦予涂層自潔性，但形成的涂層接觸角較大，自潔效果不是很明顯[3]，不適宜光伏組件的使用環(huán)境。無(wú)機(jī)親水自清潔材料以納米氧化物為主要原料，穩(wěn)定性好，但工藝要求較高，工藝直接決定了膜層的可靠性。

在眾多的無(wú)機(jī)材料中，TiO2及以其為主體摻雜無(wú)機(jī)金屬離子或氧化物、稀土元素而成的復(fù)合納米材料成為目前關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[2]。

二氧化鈦表面的超強(qiáng)親水性是由其在紫外光照射下表面結(jié)構(gòu)的變化所致。在紫外光照射下，二氧化鈦價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，在表面生成電子-空穴對(duì)，電子與反應(yīng)，空穴則與表面橋氧反應(yīng)，使表面氧虛空，從而近處的轉(zhuǎn)向，適于游離水吸附。此時(shí)，空氣中的水解離子吸附在氧空位中，成為化學(xué)吸附水(表面羥基)，化學(xué)吸附水可進(jìn)一步吸附空氣中的水分，形成物理水吸附層，即在缺陷周圍形成高度親水的微區(qū)，而表面剩余區(qū)域仍保持疏水性，這樣在TiO2表面構(gòu)成了分布均勻的納米尺寸分離的親水和親油微區(qū)，類似于二維的毛細(xì)管現(xiàn)象。由于水滴和油滴的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于親水、親油區(qū)的面積，故宏觀上TiO2表面表現(xiàn)出親水和親油特性，滴下的水或油分別被親水微區(qū)或親油微區(qū)所吸附，從而侵潤(rùn)表面；停止紫外光照射，化學(xué)吸附的羥基被空氣中的氧取代，重新又回到疏水狀態(tài)，在停止光照后，其表面超親水性可維持?jǐn)?shù)小時(shí)到一周左右，隨后慢慢恢復(fù)到光照前的疏水狀態(tài)；再用紫外光照射，又表現(xiàn)為親水[4]。

圖2 模擬雨水沖刷時(shí)光伏玻璃的親水效果(藍(lán)框?yàn)槭┘佑H水膜層后雨水沖刷表面，紅色為對(duì)比面)

實(shí)際上，復(fù)合納米TiO2材料除具備親水性自潔能力以外，還具有很多非常卓越的特性，非常適合于光伏組件的應(yīng)用。例如光解特性能夠分解有機(jī)物，半導(dǎo)體特性能夠幫助防止靜電吸附、幫助提高玻璃透光率、吸收紫外線緩解組件中高分子材料的老化等。

3 TiO2膜層的其他特點(diǎn)

3.1 分解有機(jī)物的能力

復(fù)合納米TiO2材料除具備親水性自潔能力外，還具有能夠分解有機(jī)物的能力。這是因?yàn)榧{米二氧化鈦的帶隙能約為3.2 eV，相當(dāng)于約387.5 nm光子的能量。當(dāng)受到波長(zhǎng)＜387.5 nm的紫外光照射時(shí)，價(jià)層電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生具有很強(qiáng)活性的電子-空穴對(duì)：

這些電子-空穴對(duì)遷移到表面后，可以參加氧化還原反應(yīng)，加快光降解反應(yīng)。這些反應(yīng)包括：所產(chǎn)生的電子-空穴可將吸附在二氧化鈦顆粒表面的羥基和水分子氧化為OH·自由基[5]：

締合在四價(jià)鈦離子表面的OH·自由基為強(qiáng)氧化劑，能夠氧化相鄰的有機(jī)物，也可擴(kuò)散到液相中氧化有機(jī)物。許多有機(jī)物也可被空穴所氧化。吸附在二氧化鈦表面的氧氣可通過(guò)捕獲電子，形成過(guò)氧負(fù)離子而阻止電子與空穴的復(fù)合，繼而提高其氧化反應(yīng)活性：

過(guò)氧化氫能夠單獨(dú)與過(guò)氧離子作用或捕獲電子而產(chǎn)生羥基自由基[6]：

應(yīng)用二氧化鈦納米涂層后，能夠?qū)⒏街诠夥M件表面的有機(jī)污染物分解，如鳥(niǎo)糞等，避免長(zhǎng)時(shí)間熱斑對(duì)光伏電池的影響，提高組件安全性和可靠性。

3.2 吸收紫外線能力

眾所周知，組件背板成分和EVA均屬于高分子材料，紫外能量引發(fā)斷鍵從而導(dǎo)致材料老化的影響非常顯著。老化后的材料會(huì)出現(xiàn)發(fā)黃(EVA)、降解、龜裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響組件發(fā)電量、壽命，甚至使用安全。因此，減少紫外線對(duì)EVA和背板的照射量，能夠有效延緩材料老化。

納米二氧化鈦中成分的納米尺寸效應(yīng)可以使其在紫外光波段發(fā)生非常強(qiáng)烈的吸收，吸收的紫外波段能量可轉(zhuǎn)化為光解反應(yīng)動(dòng)能。在玻璃上使用可以降低背板和EVA的紫外線吸收量，大幅延緩組件背板和EVA的老化，延長(zhǎng)組件使用壽命。

圖3為納米二氧化鈦溶液吸收曲線，可以看到，納米二氧化鈦在400 nm以下的紫外波段吸收率接近100%。

圖3 納米二氧化鈦材料的吸收曲線

3.3 增加透光率

當(dāng)膜層內(nèi)的粒子尺寸和形態(tài)等均達(dá)到最優(yōu)效果時(shí)，TiO2納米膜層可以通過(guò)減小玻璃表面的粗糙度等特性幫助玻璃表面提升透光率，尤其在入射角較大情況下，透光量會(huì)有一定程度的增加。除此之外，由于納米二氧化鈦在特定狀態(tài)下具有光致發(fā)光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，可以將短波和長(zhǎng)波長(zhǎng)能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光波段能量，增加了入射光，有效地增加光伏組件的發(fā)電量。

圖4 玻璃使用納米二氧化鈦材料膜層前后的透光率曲線變化

4 納米TiO2自清潔玻璃制造工藝

市場(chǎng)上也曾推出過(guò)針對(duì)光伏組件的自清潔技術(shù)，可由于工藝缺陷導(dǎo)致膜層在短期內(nèi)即出現(xiàn)失效情況，有些膜層與玻璃基底的結(jié)合力差，不僅喪失了自清潔能力，更嚴(yán)重的是影響了光伏組件的發(fā)電能力。實(shí)際上，自清潔玻璃膜層的性能和可靠性，與材料及其制造工藝都有密切關(guān)系。

目前，國(guó)內(nèi)外制造超親水自清潔玻璃的方法有很多種，包括：脈沖激光沉積(PLD)法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法、化學(xué)液相沉積(CLD)法和溶膠-凝膠(Sol-Gel)法等化學(xué)方法，以及物理氣相沉積(PVD)法、磁控濺射法等物理方法[7]。技術(shù)在不斷進(jìn)步發(fā)展中，這其中，目前已達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)程度的傳統(tǒng)方法為溶膠凝膠法、磁控濺射法和化學(xué)沉積法；另外，也出現(xiàn)了TiO2和無(wú)機(jī)氧化物等混合水溶液常溫噴涂方法。

磁控濺射法是一種高速低溫的鍍膜物理方法，是指在真空條件下，電子在陰極(靶材)和陽(yáng)極(基底)之間電場(chǎng)的作用下飛向基片，此過(guò)程中與工作氣體(氬氣)原子發(fā)生碰撞，電離出大量氬離子和電子，氬離子在電場(chǎng)的作用下以高速轟擊鈦靶材表面，通過(guò)動(dòng)能傳遞，使鈦靶材獲得足夠的動(dòng)能，從而從靶表面逸出[7]，沉積在基片上形成薄膜。該方法得到的自清潔膜純度高，與玻璃基底結(jié)合力高，膜層的厚度精確可控。但是，工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)玻璃表面生成的TiO2薄膜為無(wú)定型TiO2薄膜，親水性及自清潔性能非常有限；同時(shí)，還存在鍍膜效率低的問(wèn)題。

化學(xué)沉積過(guò)程可以概括為，含有鈦的化合物氣化后和O2成為混合氣體，最后借助氣相反應(yīng)使含鈦混合氣體在玻璃沉積，生成結(jié)晶的納米TiO2薄膜。采用CVD法制成的薄膜具有容易結(jié)晶、致密性好、純度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合規(guī)?；a(chǎn)。同時(shí)，工藝和沉積參數(shù)的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)精確控制薄膜雜量的效果，沉積質(zhì)量高。但是，利用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的自清潔玻璃銳鈦礦類活性晶型組分含量較低，薄膜超親水和光催化功能有限，最重要的是化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的自清潔玻璃透光率會(huì)有所降低。英國(guó)的皮爾金頓公司和美國(guó)的PPG公司均采用CVD法在線生產(chǎn)自清潔玻璃，但透光率均小于85%，無(wú)法達(dá)到光伏組件的使用要求。

溶膠凝膠法的基本原理是以金屬醇鹽為原料，加入溶劑、水催化物劑等通過(guò)與聚合反應(yīng)制得溶膠凝膠液，再用提拉法、旋轉(zhuǎn)法等將溶膠凝膠液涂到基片上，經(jīng)過(guò)干燥焙燒后制得二氧化鈦薄膜。常用的鈦醇鹽有Ti(OC2H5)4、Ti(OC3H7i)4、Ti(OC4H9n)4等[8]，無(wú)機(jī)鹽有TiCl4等。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是制成的薄膜具有良好的光催化性能和親水性，工藝設(shè)備比較簡(jiǎn)單，容易大面積制備均勻薄膜，材料的晶粒尺寸、表面形貌及結(jié)構(gòu)特征易于調(diào)控；缺點(diǎn)在于要經(jīng)過(guò)高溫化處理，耗能較大。此外固化過(guò)程中熱處理參數(shù)的變化對(duì)最終性能影響較大[2]。

針對(duì)光伏組件自清潔玻璃，以上方法均需要較大的設(shè)備投入，且不易達(dá)到高透光率效果，也不能用于改造已建成電站光伏組件。因此，針對(duì)光伏組件的使用特點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了常溫噴涂法，即將含有二氧化鈦的混合溶液在常溫下使用輕便的專業(yè)設(shè)備直接噴涂于組件玻璃表面，與玻璃直接進(jìn)行反應(yīng)固化成膜。這項(xiàng)技術(shù)的主要難點(diǎn)在于膜層的可靠性，具體來(lái)說(shuō)，即膜層和玻璃的結(jié)合力能否經(jīng)受光伏組件的戶外使用環(huán)境考驗(yàn)。另外，使用后能否不影響甚至超過(guò)普遍應(yīng)用的光伏組件超白壓花玻璃91%～92%的高透光率。目前，能夠保證提升組件發(fā)電量又滿足組件25年使用壽命的產(chǎn)品極少，市面上只有 SSG納米自清潔技術(shù)產(chǎn)品在保證產(chǎn)品壽命的前提下又擁有大規(guī)模的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，能夠提升3%～5%的電站發(fā)電量。其制得的薄膜透明度好、質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、與基材的粘結(jié)力強(qiáng)、耐候性強(qiáng)，目前還沒(méi)有出現(xiàn)與它相媲美的產(chǎn)品，是一項(xiàng)在光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究分析可知，自清潔技術(shù)能夠幫助組件提高發(fā)電量，顯著提高電站收益水平。但是，并不是所有的自清潔技術(shù)均能達(dá)到光伏組件的使用要求，請(qǐng)業(yè)主和組件廠在選擇過(guò)程中注重考察自清潔產(chǎn)品的可靠性、自清潔效果，以及是否會(huì)對(duì)玻璃透光率產(chǎn)生不良影響。

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