CN118048062A - 一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光伏组件领域，具体公开了一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法。一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料包括自清洁纳米层、中间层和表面亲水层，所述自清洁纳米层原料包括：MXene材料、正硅酸四乙酯、纳米二氧化硅、乙醇、去离子水、催化剂；所述中间层原料包括单宁酸、胺类聚合物；所述表面亲水层原料为纤维素纳米晶。本申请的组合物可用于光伏组件，其具有自清洁能力，耐候性好能够适应恶劣环境条件。

Description

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及光伏组件领域，更具体地说，它涉及一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法。

背景技术

随着全球能源需求量的与日俱增，太阳能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，获得了极大的关注。晶体硅是太阳能电池最重要的材料，但是，由于硅掺杂的高折射率(RI)和超30％的入射光从晶体硅表面反射回来等原因，造成了界面处的反射损失，对太阳能电池的能量转换效率产生负面影响。因此，为了提高太阳能电池的能量转换效率，减少反射损失变得尤为重要。

光伏玻璃是光伏组件的重要部件之一，而光伏发电受到光伏玻璃光透过率的影响，而光伏玻璃的工况主要在室外，因此常常需要进行清洗以保持稳定的光透过率，太阳能光伏玻璃表面涂覆增透减反射材料是提高光伏组件光电转换效率的关键手段之一。太阳能光伏玻璃透过率提高1％就能够极大降低各类光伏组件的成本效益比，缩短并网发电的成本回收期。而光伏发电的占地面积相对较大，若采用设备清洗，则投入极大；若是采用人工清洗则费时费力。

在现实应用中，太阳能光伏玻璃表面涂覆增透减反射材料除了需要具有宽光谱减反射、较小的入射角依赖性和较好的机械强度外，还要求能应对恶劣的环境条件，如：潮湿，雨雪、暴晒，沙尘等。显然，功能单一的增透减反射材料已经无法满足长期户外使用的要求，而具有如自清洁的太阳能光伏玻璃增透减反射材料成为目前减反射膜材料研究的一大热点。

发明内容

为了提高材料的自清洁能力，本申请提供一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，采用如下的技术方案：

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，由包括如下重量份的原料制成：

包括自清洁纳米层、中间层和表面亲水层，所述自清洁纳米层原料包括：MXene材料、正硅酸四乙酯、纳米二氧化硅、乙醇、去离子水、催化剂；所述中间层原料包括单宁酸、胺类聚合物；所述表面亲水层原料为纤维素纳米晶。

通过采用上述技术方案，正硅酸四乙酯能够发生水解缩聚反应，形成硅氧烷网络，硅氧烷网络与MXene材料发生相互作用，改变MXene材料的层间结构和电子性质，提高膜层中的导电通路数量，形成高效导电网络，使电子在材料中的传输更容易，从而降低了自清洁纳米层的电阻率，从而降低材料对固体颗粒物的吸附，保持材料表面的洁净。

中间层起到连接自清洁纳米层和表面亲水层的作用，以单宁酸和胺类水层牢固的结合在一起，并且单宁酸是一种天然的多酚化合物，具有很强的抗氧化和抗菌性能，能够防止组件表面受到氧化或微生物的侵蚀。

利用中间层的氨基和邻苯二酚基团与纤维素纳米晶层的静电相互作用、氢键、配位反应的协同效应可以在基材表面构建透明耐老化纤维素纳米晶超亲水涂层，同时胺类聚合物可以提供良好的绝缘性能，进一步降低电阻率，并增强整体结构的稳定性，表面亲水层的引入还可以使得光伏组件表面具有良好的亲水性能，表面会被空气中的湿气薄薄的覆盖，从而使污物难以附着在其表面上，当下雨时雨水会在材料表面形成一层较厚的水膜，这层水膜会逐渐渗透到污垢与材料接触的界面中，使污物漂浮在水膜上，随着水膜的流动而逐渐被带走，从而达到去除表面污物的效果，保持材料表面的洁净。

优选的，所述自清洁纳米层原料包括如下重量份：MXene材料5-8份、正硅酸四乙酯20-30粉、纳米二氧化硅0.8-1.2份、乙醇100-120份、去离子水70-80份、催化剂0.1-0.4份。

通过采用上述技术方案，二氧化硅具有亲水性和较大的比表面积，当添加到材料中时，可以增加材料的粗糙度，为形成物理屏障提供更多的悬挂点，MXene材料是一种新兴的二维材料具有高导电性和良好的电学稳定性与正硅酸四乙酯反应进一步降低材料的电阻率，降低材料对固体颗粒的吸附，从而实现材料的自清洁，通过特定原料配比和各组分的协同作用，进一步提高自清洁纳米材料的自清洁效果和耐久性。

优选的，所述原料中催化剂为酸性催化剂，为盐酸或硝酸中的任意一种。

通过采用上述技术方案，酸性催化剂可以简化自清洁纳米层的制备过程，并且其制备得到的膜层与光伏组件之间的粘附性较高，能更好的附着在光伏组件上，确保纳米材料在使用时不会轻易脱落，为光伏组件提供持久的保护，并且酸催化制得的纳米层具有硬度强，耐候性好的优点，在恶劣的环境中保持稳定，有利于保持自清洁纳米材料的耐久性。

优选的，所述自清洁纳米层中还可以加入0.6-1份纳米二氧化钛。

通过采用上述技术方案，在自清洁纳米层中加入二氧化钛能够增强材料的稳定性和耐久性，纳米二氧化硅粉体能够有效防止材料受到外界环境的侵蚀和氧化，而二氧化钛可以进一步提高材料的耐久性，提高自清洁纳米层的自清洁能力与耐久性。并且二氧化钛具有良好的光催化性能，提高纳米材料的光催化活性，与MXene材料协同配合在光照条件下吸收一定波长的光，产生自由电子和空穴，使表面吸附的污染物发生氧化还原分解而出去表面污染物，提高纳米材料的自清洁能力。

优选的，所述胺类聚合物为聚酰胺或聚酰亚胺中的任意一种。

通过采用上述技术方案，为了实现高质量的减反射效果，选择真实折射率n＞1的低吸收介质材料聚酰胺或聚酰亚胺，有助于增强干涉效应，达到更好的减反射效果，并且聚酰胺与聚酰亚胺具有良好的耐热性和耐老化性，能够在高温下保持较好的性能与稳定性，提高纳米材料的耐久性。

优选的，所述中间层为单宁酸、胺类聚合物在缓冲液的作用下交联反应制得，所述单宁酸、胺类聚合物以及缓冲液的加入重量份之比为1:1:5-8。

通过采用上述技术方案，单宁酸与胺类聚合物中的氨基发生反应，形成交联结构，缓冲液起到调节反应环境pH的作用，在缓冲液中进行交联反应单宁酸和胺类聚合物能够更好的结合在一起，形成稳定且耐久的粘合层，有助于减少因环境因素导致的材料降解或性能下降等问题。

优选的，所述缓冲液为磷酸盐缓冲液、三羟甲基氨基甲烷缓冲液、3-(N-摩尔吡啶基)丙磺酸、4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸中的任意一种。

通过采用上述技术方案，为单宁酸与胺类聚合物的交联反应提供较好的反应环境，提高中间层的耐久性，有助于制得的自清洁纳米材料在长时间的使用中保持良好的稳定性。

第二方面，本申请提供一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料的制备方法，制备步骤如下：

S1：将纳米二氧化硅溶解在乙醇中，超声分散后，加入正硅酸四乙酯、去离子水与催化剂，55-65℃下搅拌混匀反应6-8h形成水解硅溶液，加入乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入MXene材料超声密封搅拌直至分散均匀，得到自清洁纳米层原料液，将自清洁纳米层原料液涂覆在基体上干燥后制得自清洁纳米层；

S2：将纤维素纳米晶超声溶解在水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将单宁酸和胺类聚合物溶于定量的缓冲液中，超声后静置，制得粘合层；

S3：将上述粘合层涂覆在自清洁纳米层表面并干燥，再在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。

通过采用上述技术方案，使用溶胶-凝胶的方法制备自清洁纳米材料，简化了制备流程，提高了制备效率。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请通过利用正硅酸四乙酯与MXene材料的相互作用提高了膜层中的导电通路数量，形成了高效导电网络，使电子在材料中的传输更容易，降低膜层的电阻率，减少污物的附着，配合外层超亲水膜的存在，自然外界条件下，实现材料的自清洁，保持材料表面的洁净。

2、由于本申请采用MXene材料与二氧化硅作为纳米材料的原料，二氧化硅可以增加材料耐腐蚀能力，有效防止材料受到外界环境的侵蚀，而MXene材料具有的光催化活性使纳米材料具有自清洁能力，材料能够自发降解清理表面污染物，并且MXene材料在内能够为材料中的其他原料提供吸附点位，能够吸附和固定其他物质，提高材料的耐候性。

2、本申请通过溶剂-凝胶法制备自清洁纳米材料，制得一种自清洁纳米材料，有效提高光伏板的太阳光利用率，最大限度地提升太阳能光伏玻璃透过率，光透过率增加3～3.5％。同时，该纳米材料具有自清洁防污特性，能长时间减少光伏板表面污浊的附着，提升发电效率5％以上，满足城市日益加大的用电需求。并且达到5年不需要再进行深度的清洗，节省大量的人力物力成本，在光伏发电的降本增效方面使得电站效率全面提升。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本申请中使用的原料来源如下所示：

单层Nb4C3Tx MXene粉体购自新烯科技有限公司；纤维素纳米晶(比表面积5.609m2/g)

购自浙江金加浩绿色纳米材料股份有限公司；聚酰胺(PA66)型号101F购自上海崇涛塑化科技有限公司；聚酰亚胺(货号PIPL450C)购自广州溪川塑胶原料有限公司。

制备例

制备例1

磷酸盐缓冲液的制备：称取7.9kg氯化钠、0.2kg氯化钾以及1.8kg磷酸氢钾溶于80L去离子水中，用盐酸调节溶液的pH值为7.4，得到磷酸盐缓冲液。

制备例2

三羟甲基氨基甲烷缓冲液的配置：称取12.5kg三羟甲基氨基甲烷，加入50L的去离子水中，充分搅拌至三羟甲基氨基甲烷完全溶解，得到三羟甲基氨基甲烷溶液，将盐酸缓慢加入到三羟甲基氨基甲烷溶液中，同时搅拌直至pH为5.27。

制备例3

4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸缓冲液的配置：取11.9kg4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶解在40L的去离子水中，充分搅拌至4-羟乙基哌嗪乙磺酸完全溶解，缓慢加入氢氧化钠同时搅拌至pH为7.02。

实施例

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，制备包括以下步骤：

S1：自清洁纳米层的制备：将0.8kg纳米二氧化硅溶解在50kg乙醇中，20kHz下超声分散10min后，加入25kg正硅酸四乙酯、75kg去离子水与0.4kg盐酸(催化剂)，60℃下搅拌混匀反应6h形成水解硅溶液，加入剩余的50kg乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入5kgMXene材料超声密封搅拌直至体系均匀，得到自清洁纳米层原料液，将原料液滴在清洗干净的石英玻璃基体上使其完全覆盖后，以转速3000r/min，旋涂30s，80℃加热1min，50℃下烘干，制得自清洁纳米层；

S2：将5kg纤维素纳米晶超声溶解在去离子水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将5kg单宁酸和5kg聚酰胺(胺类聚合物)溶于25kg的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，20kHz下超声后静置反应50min，制得粘合层；

S3：将制备好的自清洁纳米层放置于粘合层中浸渍提拉，提拉速率3mm/s，浸渍20s，干燥后，以相同方法在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。

实施例2

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，制备包括以下步骤：

S1：自清洁纳米层的制备：将1kg纳米二氧化硅溶解在50kg乙醇中，20kHz下超声分散10min后，加入20kg正硅酸四乙酯、80kg去离子水与0.2kg盐酸(催化剂)，55℃下搅拌混匀反应7h形成水解硅溶液，加入剩余的60kg乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入5kgMXene材料超声密封搅拌直至体系均匀，得到自清洁纳米层原料液，将原料液滴在清洗干净的石英玻璃基体上使其完全覆盖后，以转速3000r/min，旋涂30s，80℃加热1min，50℃下烘干，制得自清洁纳米层；

S2：将5kg纤维素纳米晶超声溶解在去离子水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将5kg单宁酸和5kg聚酰胺(胺类聚合物)溶于30kg的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，20kHz下超声后静置反应50min，制得粘合层；

S3：将制备好的自清洁纳米层放置于粘合层中浸渍提拉，提拉速率3mm/s，浸渍20s，干燥后，以相同方法在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。

实施例3

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，制备包括以下步骤：

S1：自清洁纳米层的制备：将1.2kg纳米二氧化硅溶解在50kg乙醇中，20kHz下超声分散10min后，加入30kg正硅酸四乙酯、70kg去离子水与0.1kg盐酸(催化剂)，65℃下搅拌混匀反应8h形成水解硅溶液，加入剩余的70kg乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入5kgMXene材料超声密封搅拌直至体系均匀，得到自清洁纳米层原料液，将原料液滴在清洗干净的石英玻璃基体上使其完全覆盖后，以转速3000r/min，旋涂30s，80℃加热1min，50℃下烘干，制得自清洁纳米层；

S2：将5kg纤维素纳米晶超声溶解在去离子水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将5kg单宁酸和5kg聚酰胺(胺类聚合物)溶于40kg的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，20kHz下超声后静置反应50min，制得粘合层；

S3：将制备好的自清洁纳米层放置于粘合层中浸渍提拉，提拉速率3mm/s，浸渍20s，干燥后，以相同方法在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。

实施例4

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的催化剂为氢氧化钠。

实施例5

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例自清洁纳米层中加入了0.6kg纳米二氧化钛，制备步骤如下：

S1：自清洁纳米层的制备：将0.8kg纳米二氧化硅溶解在50kg乙醇中，20kHz下超声分散10min后，加入25kg正硅酸四乙酯、75kg去离子水与0.4kg盐酸(催化剂)，60℃下搅拌混匀反应6h形成水解硅溶液，加入剩余的50kg乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入5kgMXene材料与0.6kg纳米二氧化钛超声密封搅拌直至体系均匀，得到自清洁纳米层原料液，将原料液滴在清洗干净的石英玻璃基体上使其完全覆盖后，以转速3000r/min，旋涂30s，80℃加热1min，50℃下烘干，制得自清洁纳米层；

S2：将5kg纤维素纳米晶超声溶解在去离子水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将5kg单宁酸和5kg聚酰胺(胺类聚合物)溶于25kg的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，20kHz下超声后静置反应50min，制得粘合层；

S3：将制备好的自清洁纳米层放置于粘合层中浸渍提拉，提拉速率3mm/s，浸渍20s，干燥后，以相同方法在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。

实施例6

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例5的不同之处在于，本实施例自清洁纳米层中加入了1kg纳米二氧化钛。

实施例7

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的胺类聚合物为聚酰亚胺。

实施例8

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的缓冲液为磷酸盐缓冲液，所述磷酸盐缓冲液为制备例1中制备得到的。

实施例9

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的缓冲液为三羟甲基氨基甲烷缓冲液，所述缓冲液为制备例2中制备得到的。

实施例10

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的缓冲液为4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸缓冲液，所述缓冲液为制备例3中制备得到的。

对比例

对比例1

一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，与实施例1的不同之处在于，本对比例中自清洁纳米层中未加入MXene材料，制备步骤如下：

自清洁纳米层的制备：将0.8kg纳米二氧化硅溶解在50kg乙醇中，20kHz下超声分散10min后，加入25kg正硅酸四乙酯、75kg去离子水与0.4kg盐酸(催化剂)，60℃下搅拌混匀反应6h形成水解硅溶液，加入剩余的50kg乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，密封搅拌直至体系均匀，得到自清洁纳米层原料液，将原料液滴在清洗干净的石英玻璃基体上使其完全覆盖后，以转速3000r/min，旋涂30s，80℃加热1min，50℃下烘干，制得自清洁纳米层。

性能检测试验

检测方法/试验方法

1、自清洁性能测试：依据GB/T 23764-2009《光催化自清洁材料性能测试方法》，以油酸为模拟污染物，使用提拉涂覆法涂覆在薄膜表面，60℃下干燥20min后放在9w的紫外灯下照射，光照总时长60min，每20min测定一次接触角，在表面随机选取5个点测定其接触角，取其算数平均值。

2、透光率测试：依据GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》使用分光光度计法检测波长在550nm处自清洁纳米材料的透过率；

3、耐候性：依据ISO 11507-2017《光学涂层耐候性试验方法》利用盐雾试验和UV老化试验测试自清洁纳米材料的耐老化性能和稳定性，盐雾试验：样品在50g/L的氯化钠溶液，pH为6.5-7.2之间，温度35小时连续喷雾96h，观察表面是否有脱落、剥离、起皱现象；UV老化试验中样品经受波长为280-385nm范围的紫外线照射，累积辐照量为120kwh/m2，观察表面有无明显脱落、剥离、起皱现象；

4、表面电阻测定：依据ASTM D257测试材料的表面电阻率。

表1

表2

结合实施例1和对比例1并结合表1-2可以看出，实施例1的各项数据均优于对比例1，说明MXene材料的加入有利于实现纳米材料的自清洁能力，同时MXene材料的二维结构为材料中其他物质的挂载与吸附提供了位点，材料能紧密的结合在一起，大大提高了自清洁纳米材料的耐老化性能与耐候性能，能够适应恶劣的环境条件。

结合实施例1-4并结合表1-2可以看出，实施例1-3的各项数据均优于实施例4，说明在制备纳米清洁层时催化剂的选择会影响最终制得的材料的性能，使用酸性催化剂制备的纳米清洁材料具有更好的耐候性，能够在恶劣的环境中保持稳定。

结合实施例1与实施例5-6并结合表1-2可以看出，实施例5-6的各项数据均优于实施例1，说明加入二氧化钛有利于与MXene材料以及二氧化硅协同作用，进一步提高自清洁纳米材料的自清洁能力与耐候性。

结合实施例1与实施例7-10并结合表1-2可以看出，本申请通过纳米清洁层、中间层以及表面亲水层的复合，大大提高了材料的自清洁能力，能够自发降解清理表面污物，实现自洁，并且能够提高光透过率，提高太阳能光伏板的能量转化，提升发电效率。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于，包括自清洁纳米层、中间层和表面亲水层，所述自清洁纳米层原料包括：MXene材料、正硅酸四乙酯、纳米二氧化硅、乙醇、去离子水、催化剂；所述中间层原料包括单宁酸、胺类聚合物；所述表面亲水层原料包括纤维素纳米晶。

2.根据权利要求1所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述自清洁纳米层原料包括如下重量份：MXene材料5-8份、正硅酸四乙酯20-30粉、纳米二氧化硅0.8-1.2份、乙醇100-120份、去离子水70-80份、催化剂0.1-0.4份。

3.根据权利要求1所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述原料中催化剂为盐酸或硝酸中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述自清洁纳米层中还可以加入0.6-1份纳米二氧化钛。

5.根据权利要求1所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述胺类聚合物为聚酰胺或聚酰亚胺中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述中间层为单宁酸、胺类聚合物在缓冲液的作用下交联反应制得，所述单宁酸、胺类聚合物以及缓冲液的加入重量份之比为1:1:5-8。

7.根据权利要求6所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料，其特征在于：所述缓冲液为磷酸盐缓冲液、三羟甲基氨基甲烷缓冲液、3-（N-摩尔吡啶基）丙磺酸、4-（2-羟乙基）-1-哌嗪乙磺酸中的任意一种。

8.如权利要求1-7任一所述的一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料的制备方法，其特征在于：制备包括如下步骤：

S1：将纳米二氧化硅溶解在乙醇中，超声分散后，加入正硅酸四乙酯、去离子水与催化剂，55-65℃下搅拌混匀反应6-8h形成水解硅溶液，加入乙醇搅拌混合得到纳米二氧化硅分散溶液，加入MXene材料超声密封搅拌直至分散均匀，得到自清洁纳米层原料液，将自清洁纳米层原料液涂覆在基体上干燥后制得自清洁纳米层；

S2：将纤维素纳米晶超声溶解在水中，得到纤维素纳米晶水溶液，备用，将单宁酸和胺类聚合物溶于定量的缓冲液中，超声后静置，制得粘合层；

S3：将上述粘合层涂覆在自清洁纳米层表面并干燥，再在粘合层表面涂覆制得的纤维素纳米晶水溶液，制得所述自清洁纳米材料。