纳米镀膜技术在光伏组件自清洁中的应用

杨子建，王越超，陈思远，陈 涛

（1.北京京能高安屯燃气热电有限责任公司，北京 100024；2.北京源深能源科技有限责任公司，北京 100036）

1 引言

随着环保理念普及和可再生能源广泛应用，光伏发电作为清洁能源受到关注。但光伏组件表面污染制约其效率和寿命。纳米镀膜技术可形成均匀致密的纳米膜，保护和清洁光伏组件，提高发电效率和稳定性。在光伏组件自清洁中应用具重要意义。

2 纳米镀膜技术概述

2.1 定义及特点

纳米镀膜技术是一种广泛应用的表面涂层技术，利用纳米材料的特性形成高纯度的纳米玻璃覆盖膜，有效防止物体表面的污染和积灰。纳米材料具有较大的比表面积和特殊的表面活性，在光伏组件自清洁方面具有广泛的应用，且对光电转换效率影响较小。

2.2 基本原理

纳米镀膜技术的原理是利用电气化学反应，在物体表面形成纳米级的玻璃覆盖膜。通过喷涂特殊的纳米材料电镀液，可以使物体表面形成厚度20～60 nm的纳米玻璃覆盖膜。这种覆盖膜具有优异的物理和化学性质，可以有效地防止组件表面的污染和积灰。相比于传统的有机材料，纳米镀膜技术具有更高的稳定性和较低的光损失率，具有更长的使用寿命和更好的效果。

2.3 优势

在光伏组件自清洁方面，纳米镀膜技术具有多方面的优势。首先，纳米镀膜技术的应用可以在很大程度上提高光伏组件的自清洁效果。传统的有机材料会在长时间的使用中发生劣化和老化，会引起聚水性、透光率等问题，而纳米镀膜技术可以有效地避免这些问题的出现。纳米镀膜覆盖膜具有优异的抗污染和防尘性能，可以减少组件表面的粉尘和污染物的沉积，从而提高组件的光电转换效率；其次，纳米镀膜技术采用无机材料制成的覆盖膜，具有优异的耐候性和耐腐蚀性。无机材料不会发生劣化和老化，因此可以保证覆盖膜在长期使用中的性能稳定。这种耐久性和稳定性可以保证组件长期有效地抵御风雨和污染物侵蚀，从而延长组件的使用寿命和维护周期；最后，纳米镀膜技术的施工工艺相对简单，成本较低。由于这种技术是通过电气化学反应生成纳米粒子电镀液喷洒在组件表面形成覆盖膜，因此施工过程简单快捷。与传统的有机材料相比，纳米镀膜技术的成本更低，适用于大规模的生产应用。

3 材料与方法

3.1 纳米镀膜材料选择

硅酸钛是一种无机材料，具有高度的化学稳定性和良好的光学性能。在纳米镀膜技术中，硅酸钛可以作为主要材料用于制备纳米玻璃覆盖膜。其优点在于，硅酸钛具有较高的透光率，可以有效减少光伏组件的光损失率，提高发电效率。此外，硅酸钛具有较高的稳定性和亲水性，能够有效防止污染物在光伏组件表面的附着，从而保持组件表面的清洁度，提高组件的长期稳定性和使用寿命。同时，硅酸钛还具有良好的耐腐蚀性和耐候性，能够在各种复杂的气候条件下保持其优异的性能。因此，在纳米镀膜技术中，选择硅酸钛作为主要材料具有重要的意义和应用价值。

3.2 纳米镀膜制备方法

文章采用的纳米镀膜制备方法主要包括材料准备、分散处理、添加附着剂和喷涂制备四个步骤。首先将硅酸钛粉末与去离子水混合形成10 wt%的浆料，乙醇和丙烯酸酯的添加提高涂层的附着力。然后通过超声分散确保纳米颗粒均匀分散在溶液中，提高涂层的均匀性和质量。最后采用喷涂法在光伏组件表面涂覆纳米镀膜，通过调整喷涂参数使涂层均匀覆盖在组件表面，形成厚度约为40 nm 的纳米镀膜层。

3.3 光伏组件的纳米镀膜处理

在该研究中，对20 片光伏组件进行纳米镀膜处理。在处理前，首先需要对组件表面进行清洁处理，以确保表面无污染物影响后续的处理效果。通常选择晴朗无风的天气，可以使用清洗剂或去离子水进行清洗。清洗后，在无风无尘环境中使组件表面干燥，以加速涂层干燥和附着。接下来，将纳米镀膜液通过喷涂法或滚涂法均匀地喷洒在组件表面，确保涂层厚度均匀且覆盖全面。喷涂完成后，将组件放置在干燥24 h，使涂层完全固化和附着。通过这样的处理方式，可以使光伏组件表面形成一层厚度约为40 nm 的纳米玻璃覆盖层，有效防止污染物在表面附着，提高组件的自清洁性能。

3.4 自清洁性能测试与评价方法

在本研究中，为了评估纳米镀膜对光伏组件自清洁性能的影响，采用了对比试验的方法。具体步骤如下：

（1）选择相同类型和规格的光伏组件，分为两组，其中一组作为实验组，另一组作为对照组。

（2）对实验组的光伏组件进行纳米镀膜处理，采用喷涂法在组件表面涂覆约40 nm 厚的硅酸钛（TiSiO3）纳米镀膜。对照组的光伏组件不进行任何处理。

（3）将两组光伏组件暴露于自然环境中，每隔15 d 记录组件表面的污染程度，包括污垢、灰尘、雾霾等。使用显微镜等设备对污染程度进行定量评估。

（4）测量两组光伏组件的光电转换效率和透光率，以评估纳米镀膜对组件性能的影响。这里的光电转换效率是指光伏组件从光能到电能的转换效率，也是评估组件性能的重要指标之一。透光率是指组件表面的透光性能，也是光伏组件的一个重要性能指标。

（5）对比两组组件在不同污染程度下的光电性能，评估纳米镀膜在提高光伏组件自清洁性能方面的作用。可以通过统计学方法对数据进行分析，以得出结论。

4 纳米镀膜对光伏组件自清洁性能的影响

4.1 纳米镀膜对光伏组件表面污染的抑制作用

为了进一步研究纳米镀膜对光伏组件自清洁性能的影响，对现场运行数据进行了收集。两组光伏组件在运行期间的数据统计如表1 和表2 所示，包括污染指数、光电转换效率和透光率。

表1 污染程度对比表

表2 污染程度对比表

从表1 中可以看出，纳米镀膜组件在实验期间的污染指数均略低于未处理组件。在实验的第60 天，未处理组件污染指数达到56，而纳米镀膜组件污染指数为50。这说明纳米镀膜能够抑制光伏组件表面的污染，可以维持组件的清洁度和光学性能。

4.2 纳米镀膜对光伏组件性能的影响

为了评估纳米镀膜对光伏组件性能的影响，同时对未处理组件和纳米镀膜组件的光电转换效率和透光率进行了测量。表2 是两组光伏组件在光电转换效率和透光率方面的监测数据。

从表2 中可以看出，纳米镀膜组件在整个实验期间的光电转换效率和透光率均高于未处理组件。在实验的第60 天，未处理组件光电转换效率为13.5%，而纳米镀膜组件光电转换效率为14.0%。同时，未处理组件透光率为85%，而纳米镀膜组件透光率为91%。这说明纳米镀膜能够提高光伏组件的光电转换效率和透光率，进而提高光伏组件的发电性能和整体效益。

通过此次试验表明纳米镀膜可以降低光伏组件表面污染指数，提高组件的光电转换效率和透光率，从而提高组件的发电性能和整体效益。

4.3 纳米镀膜对光伏组件寿命的影响

根据上述现场数据，纳米镀膜可以显著降低光伏组件表面污染程度，提高光电转换效率和透光率，从而间接延长组件的使用寿命。具体而言，纳米镀膜对光伏组件的优势表现在以下方面：

（1）降低表面污染：纳米镀膜组件的表面污染指数较低，这有助于减少因表面污染而引起的性能下降，进而延长组件寿命。

（2）提高光电转换效率：纳米镀膜组件的光电转换效率高于未处理组件，这有利于提高组件的整体性能，进而延长组件使用寿命。

（3）提高透光率：纳米镀膜组件的透光率较高，这有助于光线更有效地穿透玻璃表面，提高光电转换效率，从而延长组件使用寿命。虽然以上数据显示纳米镀膜技术对光伏组件性能和寿命具有积极影响，但本研究时间有限，未能观察到纳米镀膜对光伏组件长期使用寿命的影响。因此，为了更深入地了解纳米镀膜对光伏组件寿命的影响，建议进行长期现场运行监测分析，系统分析纳米镀膜在光伏组件寿命方面的优势和潜在问题，为光伏产业的发展提供更有力的支持。

5 纳米镀膜技术在光伏组件自清洁中的应用优化

5.1 优化纳米镀膜材料选择

在光伏组件自清洁方面，纳米镀膜材料的选择是至关重要的。目前常用的纳米材料包括有机物、金属氧化物、石墨烯等。在选择材料时需要考虑以下因素：

（1）稳定性：材料的稳定性是选择的关键因素之一。镀膜材料需要能够在长时间的使用中保持稳定性，不易受到外界环境因素的影响，例如氧化、腐蚀等。因此，选择具有较高化学稳定性和热稳定性的材料是十分必要的。

（2）成本：纳米材料的成本也是选择的一个重要因素。需要选择具有较低成本、易获取的材料，以确保应用的经济效益。

（3）对光电转换效率的影响：纳米镀膜的材料会对光电转换效率产生影响，需要选择对光电转换效率影响较小的材料。例如，一些材料在镀膜后会增加光伏组件的吸收能力，提高其光电转换效率。

5.2 优化纳米镀膜制备方法

不同制备方法对纳米镀膜的成分、结构和性质都有着不同的影响。优化制备方法可以提高纳米镀膜的性能，提高其在光伏组件自清洁中的应用效果。物理气相沉积是一种常用的纳米镀膜制备方法，其制备过程需要高温、真空条件。化学气相沉积是另一种制备方法，通过化学反应在光伏组件表面生成纳米薄膜。溶液法则是在水或其他有机溶剂中溶解纳米颗粒，再将其沉积在光伏组件表面。在制备方法的选择上，需要综合考虑成本、效率、稳定性等因素。

优化纳米镀膜制备方法的具体方法包括调整制备工艺参数、改进设备设计和优化反应条件等。例如，在物理气相沉积方法中，可以优化气氛流量、反应时间和反应温度等参数，以控制纳米颗粒的大小和分布，从而影响镀层的性质。在化学气相沉积方法中，可以改变反应气体、反应条件和反应时间等因素，优化反应条件和反应速率。通过优化纳米镀膜制备方法，可以提高镀层的致密性、均匀性和附着力，从而提高其在光伏组件自清洁中的应用效果。

5.3 优化纳米镀膜处理工艺

在纳米镀膜处理工艺中，表面处理是一项重要的工艺。在光伏组件的表面处理中，可以采用喷砂、刻蚀、化学处理等方式进行表面粗化处理，以提高镀层的附着力和表面能。同时，在纳米镀膜处理中，热处理和压力处理也是常见的优化工艺。热处理可以提高镀层的致密性和抗氧化性，而压力处理则可以提高镀层的硬度和耐磨性。

在优化纳米镀膜处理工艺的过程中，需要充分考虑镀层的性质和应用环境。不同的工艺处理会对镀层的性能产生不同的影响，因此需要根据具体情况进行选择和优化。例如，在应用于光伏组件中时，需要考虑镀层的光电转换效率和抗污染性等因素。因此，在选择和优化处理工艺时，需要综合考虑不同因素的影响，并寻找最优的处理方式，以提高纳米镀膜技术在光伏组件自清洁中的应用效果。

6 结语

总体而言之，纳米镀膜技术是一种有效的光伏组件自清洁方法，具有显著的优势和应用前景。优化纳米镀膜材料选择、制备方法和处理工艺可以进一步提高其自清洁效果和使用寿命。纳米镀膜技术在光伏组件自清洁中的应用，为提高光伏发电效率和减少光伏组件的维护成本提供了一种新的解决方案，进而为光伏组件的高效运行创造有利条件。