光伏組件自清潔技術

北京化工大學 ■ 徐瑞芬

0 引言

本世紀以來，光電轉換技術發展迅猛，光電轉換效率在經歷了早期迅速提升后，由于已逐漸接近理論極限值，突破性技術的研發速度已進入平穩期。在這種情況下，其他因素對組件發電效率和發電量的影響逐漸凸顯，其中，灰塵遮擋對組件的影響逐漸成為一個重要的研究課題。光伏組件自清潔技術在此背景下應運而生。

自清潔技術是指具備自我凈化清潔能力的技術，這項技術的研究最早開展于上世紀七八十年代，通常以玻璃、瓷磚、水泥等建筑材料為載體。在光伏領域的應用主要是在光伏組件用玻璃面板表面使用自清潔技術，使玻璃發生物理或化學反應，從而不再需要通過傳統的人工擦洗方法，而在自然雨水的沖刷下達到清潔狀態。自清潔技術的載體為光伏組件玻璃面板[1]，自清潔材料以“膜層”或“涂層”的狀態與玻璃進行結合，呈現自清潔效果。業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 自清潔技術分類

自清潔技術主要按照其侵潤性進行分類，可分為超親水性自清潔玻璃和超疏水性自清潔玻璃，二者區別如圖1所示。

圖1 超親水性和超疏水性自清潔玻璃區別

由圖1可知，α為固體表面與水的接觸角，α＞90°時為疏水性表面，α＜90°時為親水性表面。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；在水干燥過程中又極易吸附空氣中的灰塵，干燥后形成水痕，長期積累形成污垢[2]。

當使用某種技術使α＞150°時為超疏水表面，通過涂層表面乳突納米結構使水滴極易從玻璃表面滾落，形成俗稱的“荷葉效應”。反之，＜5°時為超親水表面，水滴落在玻璃表面后，均勻鋪展開，與玻璃表面達到最大接觸面積，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，市場上所使用的技術絕大多數為超親水技術，這主要是因為疏水技術雖能實現一定程度的自清潔效果，但普遍存在以下兩點問題：

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

2)多年來業界一直公認疏水基團非常容易與環境作用，在半年內逐漸失去疏水效果，無法保證長期使用壽命，從而無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：有機親水自清潔材料和無機親水自清潔材料。有機親水自清潔材料通過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境。無機親水自清潔材料以納米氧化物為主要原料，穩定性好，但工藝要求較高，工藝直接決定了膜層的可靠性。

在眾多的無機材料中，TiO2及以其為主體摻雜無機金屬離子或氧化物、稀土元素而成的復合納米材料成為目前關注和研究的熱點[2]。

二氧化鈦表面的超強親水性是由其在紫外光照射下表面結構的變化所致。在紫外光照射下，二氧化鈦價帶電子被激發到導帶，在表面生成電子-空穴對，電子與反應，空穴則與表面橋氧反應，使表面氧虛空，從而近處的轉向，適于游離水吸附。此時，空氣中的水解離子吸附在氧空位中，成為化學吸附水(表面羥基)，化學吸附水可進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，而表面剩余區域仍保持疏水性，這樣在TiO2表面構成了分布均勻的納米尺寸分離的親水和親油微區，類似于二維的毛細管現象。由于水滴和油滴的尺寸遠遠大于親水、親油區的面積，故宏觀上TiO2表面表現出親水和親油特性，滴下的水或油分別被親水微區或親油微區所吸附，從而侵潤表面；停止紫外光照射，化學吸附的羥基被空氣中的氧取代，重新又回到疏水狀態，在停止光照后，其表面超親水性可維持數小時到一周左右，隨后慢慢恢復到光照前的疏水狀態；再用紫外光照射，又表現為親水[4]。

圖2 模擬雨水沖刷時光伏玻璃的親水效果(藍框為施加親水膜層后雨水沖刷表面，紅色為對比面)

實際上，復合納米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用。例如光解特性能夠分解有機物，半導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

3.1 分解有機物的能力

復合納米TiO2材料除具備親水性自潔能力外，還具有能夠分解有機物的能力。這是因為納米二氧化鈦的帶隙能約為3.2 eV，相當于約387.5 nm光子的能量。當受到波長＜387.5 nm的紫外光照射時，價層電子會被激發到導帶，從而產生具有很強活性的電子-空穴對：

這些電子-空穴對遷移到表面后，可以參加氧化還原反應，加快光降解反應。這些反應包括：所產生的電子-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]：

締合在四價鈦離子表面的OH·自由基為強氧化劑，能夠氧化相鄰的有機物，也可擴散到液相中氧化有機物。許多有機物也可被空穴所氧化。吸附在二氧化鈦表面的氧氣可通過捕獲電子，形成過氧負離子而阻止電子與空穴的復合，繼而提高其氧化反應活性：

過氧化氫能夠單獨與過氧離子作用或捕獲電子而產生羥基自由基[6]：

應用二氧化鈦納米涂層后，能夠將附著在光伏組件表面的有機污染物分解，如鳥糞等，避免長時間熱斑對光伏電池的影響，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，紫外能量引發斷鍵從而導致材料老化的影響非常顯著。老化后的材料會出現發黃(EVA)、降解、龜裂等問題，嚴重影響組件發電量、壽命，甚至使用安全。因此，減少紫外線對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可以使其在紫外光波段發生非常強烈的吸收，吸收的紫外波段能量可轉化為光解反應動能。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

當膜層內的粒子尺寸和形態等均達到最優效果時，TiO2納米膜層可以通過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下具有光致發光和上轉換發光特性，可以將短波和長波長能量轉化為可見光波段能量，增加了入射光，有效地增加光伏組件的發電量。

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

市場上也曾推出過針對光伏組件的自清潔技術，可由于工藝缺陷導致膜層在短期內即出現失效情況，有些膜層與玻璃基底的結合力差，不僅喪失了自清潔能力，更嚴重的是影響了光伏組件的發電能力。實際上，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系。

目前，國內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、化學氣相沉積(CVD)法、化學液相沉積(CLD)法和溶膠-凝膠(Sol-Gel)法等化學方法，以及物理氣相沉積(PVD)法、磁控濺射法等物理方法[7]。技術在不斷進步發展中，這其中，目前已達到工業化生產程度的傳統方法為溶膠凝膠法、磁控濺射法和化學沉積法；另外，也出現了TiO2和無機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)和陽極(基底)之間電場的作用下飛向基片，此過程中與工作氣體(氬氣)原子發生碰撞，電離出大量氬離子和電子，氬離子在電場的作用下以高速轟擊鈦靶材表面，通過動能傳遞，使鈦靶材獲得足夠的動能，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，與玻璃基底結合力高，膜層的厚度精確可控。但是，工業規模化生產玻璃表面生成的TiO2薄膜為無定型TiO2薄膜，親水性及自清潔性能非常有限；同時，還存在鍍膜效率低的問題。

化學沉積過程可以概括為，含有鈦的化合物氣化后和O2成為混合氣體，最后借助氣相反應使含鈦混合氣體在玻璃沉積，生成結晶的納米TiO2薄膜。采用CVD法制成的薄膜具有容易結晶、致密性好、純度高等優點，非常適合規模化生產。同時，工藝和沉積參數的調控可以實現精確控制薄膜雜量的效果，沉積質量高。但是，利用化學氣相沉積法生產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，最重要的是化學氣相沉積法生產的自清潔玻璃透光率會有所降低。英國的皮爾金頓公司和美國的PPG公司均采用CVD法在線生產自清潔玻璃，但透光率均小于85%，無法達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、水催化物劑等通過與聚合反應制得溶膠凝膠液，再用提拉法、旋轉法等將溶膠凝膠液涂到基片上，經過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]，無機鹽有TiCl4等。這種方法最大的優點是制成的薄膜具有良好的光催化性能和親水性，工藝設備比較簡單，容易大面積制備均勻薄膜，材料的晶粒尺寸、表面形貌及結構特征易于調控；缺點在于要經過高溫化處理，耗能較大。此外固化過程中熱處理參數的變化對最終性能影響較大[2]。

針對光伏組件自清潔玻璃，以上方法均需要較大的設備投入，且不易達到高透光率效果，也不能用于改造已建成電站光伏組件。因此，針對光伏組件的使用特點，行業內出現了常溫噴涂法，即將含有二氧化鈦的混合溶液在常溫下使用輕便的專業設備直接噴涂于組件玻璃表面，與玻璃直接進行反應固化成膜。這項技術的主要難點在于膜層的可靠性，具體來說，即膜層和玻璃的結合力能否經受光伏組件的戶外使用環境考驗。另外，使用后能否不影響甚至超過普遍應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電量又滿足組件25年使用壽命的產品極少，市面上只有 SSG納米自清潔技術產品在保證產品壽命的前提下又擁有大規模的實際使用經驗，能夠提升3%～5%的電站發電量。其制得的薄膜透明度好、質量高、性能穩定、與基材的粘結力強、耐候性強，目前還沒有出現與它相媲美的產品，是一項在光伏發電應用領域領先的技術。

5 結語

通過研究分析可知，自清潔技術能夠幫助組件提高發電量，顯著提高電站收益水平。但是，并不是所有的自清潔技術均能達到光伏組件的使用要求，請業主和組件廠在選擇過程中注重考察自清潔產品的可靠性、自清潔效果，以及是否會對玻璃透光率產生不良影響。

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