CN116836575A - 适用于光伏组件的自清洁纳米涂层、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于光伏组件的自清洁纳米涂层、制备方法及应用，将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；将基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥，获得自清洁纳米涂层。
Description
技术领域
本发明涉及自清洁材料技术领域，具体涉及一种适用于光伏组件的自清洁纳米涂层、制备方法及应用。
背景技术
随着经济发展，各国的太阳能光伏发电站建设与运营也进入高峰。与此同时，太阳能光伏板因表面污染而导致发电效率降低也成为亟须解决的难题。太阳能光伏板的自然污染难以避免，为维持光伏发电板的发电效率，需要定期人工清洁，这存在庞大的清洁费用。而且，太阳能光伏电站基地多数建设在郊外地区，光伏板因沙尘覆盖大幅度降低发电效率。要持续保持光伏板表面清洁，在这些环境下的人工清洁是很困难且费用较高。而现有的人工常规清洗、机器人清洗、高压水清洁等方式，会对太阳能光伏发电板的表面增透光涂层造成较快的破坏而致透光率加快衰减。所以，在光伏板表面制备防尘、自清洁涂层已是太阳能光伏板防污的首选方式。
但现有技术中涂层存在抗反射膜性能单一、涂层附着力不足和易污染等问题。
因此，现提供一种具有优异增透减反性能、超亲水性能且适用于光伏组件的自清洁纳米涂层、制备方法及应用。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本申请提供一种具有优异增透减反性能、超亲水性能且适用于光伏组件的自清洁纳米涂层、制备方法及应用。
首先，本发明提供一种适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应2-5 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：1-3：0.05-0.15，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为0.1%-1%；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；其中，混合时三者按1: 2-5:0.1-0.5的比值范围混合；
步骤3：将基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥，获得自清洁纳米涂层。
纳米二氧化硅的粒径范围为10-50 nm。
所述混合醇溶液包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙二醇甲醚、正丙醇中的任意一种或多种的混合、以及分散剂；其中，所述分散剂占比0.1%-0.5%。
在步骤3中，超声清洗的功率为300 W、时间为5 min-10 min。
在步骤3中，静置时间为3-10 h。
在步骤3中，制作涂覆包括刮刀刮涂、海绵擦涂、溶液浸涂、重力淋涂或压力喷涂。
其次，本发明还提供一种适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，该自清洁纳米涂层采用如上所述的制备方法制得。
所述自清洁纳米涂层的厚度范围是160-175 nm。
再次，本发明还提供一种如上所述的制备方法所制得的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层在防尘、自清洁、增透或防放射涂层领域中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
在本发明中，在酸性条件下纳米二氧化硅、氟化镁与纳米二氧化钛所形成的复合溶胶材料在基材上引入了丰富的官能团，其中，有机硅酸酯硅氧键的断裂与聚合交联使涂层稳固地附着在基材表面并具有出色的导电性能，纳米二氧化硅和氟化镁材料的低折射率赋予涂层优异的增透减反性能；本发明利用涂层表面丰富的羟基官能团和纳米二氧化钛光激发产生的空穴和高能电子及强氧化性自由基的协同反应，在基材表面构建出复合超亲水-光催化自清洁防污涂层，尤其适用于光伏组件；本发明克服了传统抗反射膜性能单一、涂层附着力不足和易污染的缺点，充分发挥纳米硅钛化合物络合氟化镁复合材料低折射率、超亲水、光催化、导电性能优越等优点，复合涂层制备简单，单层结构易组装、常温固化便于户外分布式光伏电站应用，增透减反与自清洁性能高效复合，提升涂层的使用寿命、降低清洁维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 对比例1的对比示意图；
图2 对比例2的对比示意图；
图3 对比例3的对比示意图；
图4 对比例4的对比示意图；
图5 （a）光催化实验不同阶段的自清洁纳米涂层表观，从左向右依次是光催化0，8，16 h时的涂层表观；（b）光催化前后涂有自清洁纳米涂层的玻璃在600-700 nm范围内的吸光度曲线；（c）光催化实验不同阶段样品在600-700 nm范围内吸光度均值的变化；
图6 （a）、（b）为不同放大倍数下涂层截面的扫描电镜图；（c）、（d）为不同放大倍数下涂层表面的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。 下述实施例所用到的实验试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
首先，本发明提供一种适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应2-5 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：1-3：0.05-0.15，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为0.1%-1%；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；其中，混合时三者按1: 2-5:0.1-0.5的比值范围混合；
步骤3：将基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥，获得自清洁纳米涂层。
纳米二氧化硅的粒径范围为10-50 nm。
所述混合醇溶液包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙二醇甲醚、正丙醇中的任意一种或多种的混合、以及分散剂；其中，所述分散剂占比0.1%-0.5%。
在步骤3中，超声清洗功率为300 W、时间为5 min-10 min。
在步骤3中，静置时间为3-10 h。
在步骤3中，制作涂覆包括刮刀刮涂、海绵擦涂、溶液浸涂、重力淋涂或压力喷涂。
如图6所示，（a）为放大10.00kx下涂层截面的扫描电镜图、（b）为放大50.00kx下涂层截面的扫描电镜图，观测到单层涂层厚度在160-175 nm内；（c）为放大10.00kx下涂层表面的扫描电镜图、（d）为放大100.00kx下涂层表面的扫描电镜图，观测到涂层的区域形态为均匀孔隙结构。
其次，本发明还提供一种适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，该自清洁纳米涂层采用如上所述的制备方法制得。
所述自清洁纳米涂层的厚度范围是160-175 nm，且一般为单层。
再次，本发明还提供一种如上所述的制备方法所制得的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层在防尘、自清洁、增透或防放射涂层领域中的应用。
在酸性条件下纳米二氧化硅、氟化镁与纳米二氧化钛所形成的复合溶胶材料在基材上引入了丰富的官能团，其中，有机硅酸酯硅氧键的断裂与聚合交联使涂层稳固地附着在基材表面并具有出色的导电性能，纳米二氧化硅和氟化镁材料的低折射率赋予涂层优异的增透减反性能；本发明利用涂层表面丰富的羟基官能团和纳米二氧化钛光激发产生的空穴和高能电子及强氧化性自由基的协同反应，在基材表面构建出复合超亲水-光催化自清洁防污涂层，尤其适用于光伏组件；本发明克服了传统抗反射膜性能单一、涂层附着力不足和易污染的缺点，充分发挥纳米硅钛化合物络合氟化镁复合材料低折射率、超亲水、光催化、导电性能优越等优点，复合涂层制备简单，单层结构易组装、常温固化便于户外分布式光伏电站应用，增透减反与自清洁性能高效复合，提升涂层的使用寿命、降低清洁维护成本。
实施例1
采用本申请的制备方法制备适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，具体步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应4 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：2：0.1，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为0.2% ；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；其中，混合时三者按1:3:0.2的比值范围混合;
步骤3：将10 cm*10 cm光伏玻璃基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗,
超声功率为300 W，超声波处理的时间为10 min，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥8 h，获得自清洁纳米涂层。
实施例2
采用本申请的制备方法制备适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，具体步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应2 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：2：0.05，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为0.1% ；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；其中，混合时三者按1:2:0.1的比值范围混合;
步骤3：将10 cm*10 cm光伏玻璃基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗,超声功率为300 W，超声波处理的时间为5 min，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥4 h，获得自清洁纳米涂层。
实施例3
采用本申请的制备方法制备适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，具体步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应5 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：3：0.15，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为1% ；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，即复合溶胶材料；其中，混合时三者按1:5:0.5的比值范围混合;
步骤3：将10 cm*10 cm光伏玻璃基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗,超声功率为300 W，超声波处理的时间为10 min，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥10 h，获得自清洁纳米涂层。
对照组1
取相同的10 cm*10 cm光伏玻璃，按实施例1同样的方式清洗、干燥，即置于丙酮和去离子水中进行超声清洗、并干燥，作为对照组1。
对照组2
取相同的10 cm*10 cm光伏玻璃，按实施例1同样的方式清洗、干燥，即置于丙酮和去离子水中进行超声清洗、干燥，然后涂覆购置的常见纳米二氧化硅亲水涂层作为对照组2。
对比例1
采用接触角测量仪测量施涂有实施例1所制备的自清洁纳米涂层的光伏玻璃表面水接触角，如图1（a），其水接触角为2-5°，证明其具有超亲水性；采用接触角测量仪测量对照组1的光伏玻璃表面水接触角，如图1（b）,其水接触角为40-50°，不具有超亲水性；该对比证明实施例1所制备的自清洁纳米涂层具有优越的超亲水性。
对比例2
采用带积分球的紫外分光光度计，设置扫描波长400-1100 nm，扫描间距5 nm，测量得到施涂有实施例1所制备的自清洁纳米涂层的光伏玻璃和对照组1的光伏玻璃各自的透过率数据曲线，如图2；对比可知，实施例1的光伏玻璃透过率相较于对照组1的平均增长了3-4%，证明本实施例1所制备的自清洁纳米涂层可以有效提升光伏玻璃透过率。
对比例3
在氙灯耐气候试验箱中，设置黑板温度65℃、温度35℃、湿度40%、辐照强度50W/m2，连续运行1.8h后以水喷淋润湿样板并继续运行0.2 h作为一个循环；每循环5次后取出，采用带积分球的紫外分光光度计，设置扫描波长400-1100 nm，扫描间距5 nm，测量不同老化时间涂层透过率数据；
如图3所示，与对照组2相比，可知实施例1所制备的自清洁纳米涂层增透抗老化性能非常出色。在苛刻的实验条件下，保持高水平增透能力的时间远高于对照组2的涂层。因此本实施例1所制备的自清洁纳米涂层在作为光伏增透减反涂层用于户外应用中时，刻长时间保持增透能力，有助于提升光伏组件发电效益。
对比例4
使用1155TMF多功能绝缘电阻测试仪测定漆膜表面电阻，在同样的情况下对施涂有本实施例1所制备的自清洁纳米涂层的光伏玻璃和对照组1的光伏玻璃进行表面电阻测试。记录表面电阻数据，如表一所示：
通常认为表面电阻在106-108Ω范围内导电性较好，具有较为出色的抗静电性能，不易吸附微小粉尘，可以保持基材表面清洁。在该对比例中，实施例1的光伏玻璃表面电阻在107-108Ω范围内，具有较好的抗静电性能。对照组1的光伏玻璃表面电阻较大（为1010Ω），不具有抗静电性能。
为了直观展现本申请的抗静电性、不易吸附微小粉尘的优良性质，采用粒径小于50 μm的细小粉尘，轻轻喷洒在施涂本实施例1所制备的自清洁纳米涂层的光伏玻璃表面，观察粉尘附着情况如图4右侧所示，粉尘几乎不附着，证明抗静电性能良好；而同样的测试条件下，对照组1的光伏玻璃的表面如图4左侧所示，粉尘附着明显，证明不具有抗静电性能。
进一步，对实施例1所制备的自清洁纳米涂层进行测试，具体地：
取35 mL浓度为0.02 mM的亚甲基蓝溶液倒入实验反应池，将施涂有实施例1所制备的自清洁纳米涂层的玻璃放入反应池，在黑暗中吸附染料12小时，吸附完成后取出玻璃；将吸附有染料的玻璃置于氙灯耐气候试验箱中，设置黑板温度65℃、温度25℃、湿度40%、辐照强度500W/m2，连续运行2 h作为一次循环，共进行8次循环。每次循环结束后取出玻璃，使用带积分球的紫外分光光度计测量玻璃的吸光度数值，设置扫描波长600-700 nm，扫描间距5 nm，所得结果如图5所示。
由图5（a）可以看出，实施例1所制备的自清洁纳米涂层对表面有机物的去除效果非常出色；图5（b）表明，在光催化实验前后，施涂有实施例1所制备的自清洁纳米涂层的玻璃在600-700 nm范围内的吸光度有非常明显的下降，结合图5（c）中玻璃在光催化实验不同阶段时平均吸光度的变化，可知实施例1所制备的自清洁纳米涂层对亚甲基蓝的去除率很高，光催化活性非常强。
综上，本申请所提供的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层具有低折射率、超亲水、光催化、导电性能优越等优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将有机硅酸酯、纳米二氧化硅加入到盐酸溶液中水解，反应2-5 h时间后,加入氟化镁酸性水解液，二水解得到纳米二氧化硅和氟化镁的混合溶胶材料；其中，有机硅酸酯、纳米二氧化硅与盐酸溶液的质量比为1：1-3 ：0.05-0.15，氟化镁酸性水解液中氟化镁的质量分数为0.1%-1%；
步骤2：在混合溶胶材料中加入混合醇溶液和纳米二氧化钛溶胶，得到纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶；混合时三者按1:2-5:0.1-0.5的比值范围混合；
步骤3：将基材依次置于丙酮和去离子水中进行超声清洗，并干燥；取步骤2所制得的纳米硅钛化合物络合氟化镁溶胶，于基材上制作涂覆后静置干燥，获得自清洁纳米涂层。
2.在根据权利要求1所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，纳米二氧化硅的粒径范围为10-50 nm。
3.根据权利要求1所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，所述混合醇溶液包括乙醇、甲醇、异丙醇、丙二醇甲醚、正丙醇中的任意一种或多种的混合、以及分散剂；其中，所述分散剂占比0.1%-0.5%。
4.根据权利要求1所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，在步骤3中，超声清洗的功率为300 W、时间为5 min-10 min。
5.根据权利要求1所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，在步骤3中，静置时间为3-10 h。
6.根据权利要求1所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层制备方法，其特征在于，在步骤3中，制作涂覆包括刮刀刮涂、海绵擦涂、溶液浸涂、重力淋涂或压力喷涂。
7.适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，其特征在于，该自清洁纳米涂层采用如权利要求1-6中任一项所述的制备方法制得。
8.根据权利要求7所述的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层，其特征在于，所述自清洁纳米涂层的厚度范围是160-175 nm。
9.一种根据权利要求1-6所述的制备方法所制得的适用于光伏组件的自清洁纳米涂层在防尘、自清洁、增透或防放射涂层领域中的应用。
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