▲ 第一作者： 王 威
通讯作者： 余新泉教授，张友法教授
通讯单位： 东南大学
论文DOI：10.1039/D3TA03090C
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本文通过两次退火去润湿工艺协同增强金属颗粒掩模的颗粒尺寸和颗粒密度，结合反应离子刻蚀技术在光伏电池盖板玻璃表面构建透明致密阵列纳米结构，增强其对固、液、气等多相污染物的抗积聚效果，显著提升光伏电池光电转换效率，为干旱少雨地区太阳能电池光伏面板的无水自洁提供新的解决方案。
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背景介绍
随着全球变暖所带来的气候变化问题逐渐引起公众的广泛关注，传统的能源如煤炭和天然气正在逐步向新型能源如太阳能和风能转型。自1839年光伏效应得到证实，太阳能电池开始受到广泛的重视。通常，光伏电池模块的稳定性大大依赖于于其盖板玻璃，这种玻璃不仅提供了机械稳定性，还起到了防护雨水、露水、灰尘和其他污染的作用。但在实际应用中，由于光的吸收和反射，光伏板表面的严重污染可能会对其光电转换效率造成负面影响。因此，在实际工况条件下针对固、液、气等多相污染物寻找有效的防污策略，并确保太阳能电池维持高光电转换效率，是一个亟待解决的关键问题。
当前，针对光伏板的污染控制手段主要可归纳为被动修复与主动预防两类。被动修复方式，如手动或机械清洁，虽可以达到物理清洁效果，却可能导致较高的清洁成本及增加设备损伤的风险。与此相比，研究已指出，利用如超疏水涂层的主动预防策略，因其固有的自清洁属性，被认为是减少长期维护成本的有效手段。但超疏水涂层的透明度问题，尤其是由于其表面粗糙与透明性的矛盾，限制了其在光学行业的应用。因此，在玻璃上实现耐久透明超疏水仍是一个挑战。近年来，金属去润湿掩模法结合反应离子刻蚀技术被用来在玻璃表面构建透明超疏纳米阵列结构，实现透明超疏水防污效果。然而，金属去润湿掩模技术颗粒密度与颗粒尺寸无法协同增加，阻碍了通过该技术制备致密的阵列纳米结构，限制了其对固、液、气等多相污染物的防护效果。
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研究出发点
针对以上研究现状和面临的问题，张友法教授课题组设想是否可以通过退火去润湿调控技术，实现金属掩模颗粒密度和颗粒尺寸协同提升？为此，我们设计了两次退火去润湿调控技术，构建具有更大高宽比的透明致密阵列结构玻璃表面。将该致密阵列结构透明超疏水玻璃应用于太阳能电池表面，在保持光伏玻璃面板高透光率和良好润湿性的同时，使其兼具防尘、抗冷凝、抗结霜、抗结冰和抗菌等性能，显著提升了光伏电池的光电转换效率，为干旱少雨地区太阳能电池光伏面板的无水自洁提供新的解决方案。最终实验结果发表在Journal of Materials Chemistry A上，并入选期刊封面文章。
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图文解析
1）致密阵列纳米结构的构建与表征
在这项工作中，我们设计了一种透明抗多相物质积聚的致密阵列纳米结构。通过两次沉积-退火去润湿工艺制备了致密的铜颗粒掩模，结合反应离子刻蚀技术实现了具有较大高宽比的阵列纳米结构的构建。图1展示了样品的制备过程以及样品的润湿性和光学特性。
Fig. 1 The illustration and characterization of the fabricated glass surfaces. (a) Schematic illustration for the fabrication process of the densely arrayed superhydrophobic glass. (b) SEM images of the fabricated nanoarrays, obtained through a single dewetting process of 4 nm and 8 nm films, as well as repeated dewetting of thin Cu films with 4 nm thickness in both cases and additional thickness, are presented. These cases are denoted as Control 1, Control 2, and Compact, respectively. (c) Photograph of the sample Compact surface. (d) and (e) Optical property of the prepared surfaces.
2）致密阵列纳米结构表面抗多相污染物机理
考虑到光伏电池经常处于室外环境并长时间受到固相、液相和气相污染物的影响，本研究主要从纳米结构提高的抗穿刺性能以及纳米结构对固相污染物粘附力的影响两个维度，深入探讨了致密排列的纳米结构表面如何抵御多相污染物的粘附。
从纳米结构提高的抗穿刺性能的角度，诸多研究已经证明，具有较大高宽比的阵列纳米结构有助于保持稳定的Cassie-Baxter态，大大增强对液相污染物的抗渗效果。对于致密的阵列纳米结构，对十六烷和水的穿刺压分别高达238 kPa和1644 kPa，要显著由于传统的阵列纳米结构，使其对液相和气相污染物具有良好的抗渗效果。
从纳米结构对固相污染物粘附力的影响的角度，由于干旱地区灰尘粘附力主要受范德华力的影响，经过计算，致密的阵列纳米结构表面对灰尘的范德华力仅有26 nN，要远远低于常规的阵列纳米结构，可有效防止固相污染物的粘附，上述计算结果从机理上验证了致密阵列纳米结构表面具有良好抗多相污染物积聚效果。
Fig. 2 The design principle of compact nanoarrays. (a) Cassie state for a drop resting on a dense array of cones: For all surfaces, the cones with height h, apex diameter R, and lattice constant S are organized in a dense hexagonal arrangement and coated with a hydrophobic layer. (b) Schematic illustration of particle-force model for particle removes. (c) Contact angle and hysteresis angle of the fabricated surfaces. (d) Rms of roughness of the fabricated surfaces.
3） 性能测试
A. 低温下抗污染性能
为了评估致密阵列纳米结构表面抗污染性能的稳定性，我们测试了低温下样品的抗污染性能。一般来说，低温下的防污性能包括三个主要部分：抗结露、抗结霜和抗结冰。从图3可以看出，致密阵列纳米结构表面在40分钟的时间范围内，只有有限数量的冷凝液滴发展成相对较大的尺寸，露珠总体上保持相对较小的尺寸。此外，我们发现致密阵列纳米结构表面上的液滴可以在没有外力的情况下自发聚结并从表面上跳走，这种冷凝自驱弹跳特性阻碍了露珠的生长，导致露珠的自我更新，使得露珠的尺寸更小，滴数密度更高，具有良好的抗结露效果。同时，由于冷凝自驱弹跳效应以及阵列结构显著增加了致密阵列纳米结构表面的传热壁垒，液滴在低温下结霜和结冰被显著抑制，说明致密阵列纳米结构表面也具有优异的抗结霜和抗结冰效果。
Fig. 3 Anti-condensation, anti-frosting, and anti-icing properties of the fabricated surfaces. (a) Condensation property of the Compact surface. Inserted: side view of oblique droplet jumping droplets on the Compact superhydrophobic surface. (b) Comparison of the average droplet radius as a function of time on different surfaces. (c) Droplet number density and surface coverage on different surfaces. (d) The optical photographs of the frosting on the Compact superhydrophobic surface. (Substrate temperature: -10 ℃). (e) Comparison of the frost coverage as a function of time on different surfaces. (f) Frost wight after 70 min frosting and residue water weight after defrosting on different surfaces. (g) Illustration of ice adhesion strength test system. (h) The adhesion strength between ice and each sample surface with icing/de-icing cycles. (i) The anti-icing time and freezing time for different surfaces.
B. 防尘性能
为了验证致密阵列纳米结构表面优越的防尘效果，我们进行了室外静置和室内模拟两种防尘测试，具体结果如图4所示。从图中可以看出，致密阵列纳米结构将灰尘颗粒限制在阵列顶部，有效地减少了灰尘与表面的接触面积及粘附力。因此，灰尘颗粒能够轻易从玻璃表面分离，确保了表面出色的防尘效果。
Fig. 4 Anti-dust properties of the fabricated surfaces. (a) Dust deposition amount after 10 days indoor test. (b) Dust deposition amount after 180 days outdoor exposure test. (c) The particle remove rate during condensation process. (d) and (e) Photograph of dust on the Compact surface after 20 min and 25 min. (f) The SEM images of a dust on the compact surface.
C. 抗菌性能
致密阵列结构表面在于大肠杆菌等接触时，纳米柱会吸附并破坏细胞膜，导致细胞破裂以及细菌死亡。此外，较高的纳米阵列密度会增加渗透和损伤的几率，使其具有更强的抗菌特性。
Fig. 5 The anti-microbial property of the fabricated surfaces.
D. 光伏电池的光电转换性能
为了评估致密纳米阵列结构在太阳能电池表面的应用效果，我们将该结构与商用太阳能电池进行了整合。如图6所示，这种结构的紧凑纳米柱设计允许光在其中进行多次反射和折射，呈现出色的减反射性能，显著提高了表面的透光性，从而确保了优异的光电转换效率。
Fig. 6 Performance of the self-cleaning solar cell. (a) The comparison of I-V curves of the solar cells with different cover glasses. Inserted: Illustration and Photographs of the assembled solar cell covered with transparent superhydrophobic glass. (b) The sun light conversion performance of solar cells with different glass covers.
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总结与展望
作者采用了两次沉积-去润湿工艺，成功构建了一种在光学性能、润湿性和抗多相物质积聚方面都表现出色的致密纳米阵列结构表面。与传统纳米阵列相比，该结构在润湿性和光学性能上有了显著的提升。其表面紧密排列的纳米柱有效地阻挡了污染物的渗透，减少了污染物与玻璃基底的接触面积，对多相污染物表现出优异的抗积聚效果。值得注意的是，该结构还展现出冷凝自驱弹跳特性，为干旱地区的太阳能电池提供了一种无水自清洁的新策略。
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参考文献
Compact nanopillar array with enhanced anti-accumulation of multiphase matter on transparent superhydrophobic glass. Wei Wang, Zupan Mao, Ping Liu, Weilin Deng, Wancheng Gu, Xinquan Yu*, Youfa Zhang*(余新泉，张友法，东南大学) Journal of Materials Chemistry A, 2023,11, 18679-18688
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作者介绍
王威，博士研究生。
本文第一作者，2022年毕业于东南大学材料科学与工程学院专业获工学博士学位，同年进入南京工程学院，研究方向主要为表面微纳加工技术以及材料表面润湿性设计与调控。
张友法教授，东南大学。
本文通讯作者，东南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国际仿生工程学会青年委员。研究方向主要为仿生界面功能材料，致力于前沿新材料的研发和应用，先后承担了国家重大科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国防装备预研基金、江苏省重大科技成果转化资金等项目；还与中国航发、航天科工以及中石化、华为、海尔、海信、博西华、福耀等合作开展了科技成果转化研究。
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