Прозрачное супергидрофобное самоочищающееся покрытие повышает эффективность солнечных батарей на 4,75 %
Аккумуляторная батарея Challenger EVG6-225
Исследователи разработали двухслойное золь-гелевое покрытие из гидрофобного диоксида кремния, не содержащее пер- и полифторалкильных веществ, которое отталкивает воду, пыль и грязь, сохраняя при этом высокую светопропускную способность солнечных панелей. Прозрачное самоочищающееся покрытие повысило эффективность фотоэлектрических элементов с 13,90 % до 14,56 %, продемонстрировав высокую прочность и потенциал для будущего коммерческого применения.
Международная исследовательская группа разработала двухслойное золь-гель и гидрофобное кремниевое покрытие, которое может значительно повысить эффективность солнечных батарей, защищая поверхность от скопления пыли, отражения света, птичьего помета и водяных пленок.
«Двухслойное покрытие отталкивает воду, пыль и грязь, не уменьшая количество света, попадающего на фотоэлектрические элементы, — рассказал автор исследования Шаньху Лю. — В отличие от многих других решений, представленных на рынке, оно не содержит пер- и полифторалкильных веществ (ПФАС)».
«Пыль, грязь и птичий помет — все это влияет на работу солнечных панелей. Обслуживание может привести к повреждению панелей, оно требует больших затрат, а иногда и сопряжено с логистическими трудностями, — говорит соавтор исследования Судхагар Питчаймуту. — Наше прозрачное покрытие с высокой водоотталкивающей способностью состоит из тонкого клеевого базового слоя и гидрофобных наночастиц диоксида кремния, которые удерживаются на месте после отверждения материала. Микроскопическая шероховатость, создаваемая этими частицами, задерживает воздух на поверхности, благодаря чему вода собирается в капли и стекает, унося с собой грязь». В результате получается прочное прозрачное покрытие с высокой степенью самоочищения.
В статье «Золь-гель-технология получения прозрачных и супергидрофобных кремниевых покрытий для самоочищающихся солнечных панелей», опубликованной в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, ученые описали защитную пленку как двухслойное прозрачное супергидрофобное покрытие, сочетающее золь-гель обработанный гидрофильный золь кремнезема с гидрофобными наночастицами кремнезема.
Золь-гель процесс — это химико-физический метод получения тонких пленок, покрытий или твердых материалов из жидкого прекурсора. В ходе этого процесса жидкие прекурсоры вступают в реакцию гидролиза и конденсации, образуя коллоидный раствор (золь). По мере протекания реакций частицы соединяются, образуя трехмерную сетку, и золь превращается в гель. Затем гель наносится на поверхность и подвергается термической обработке для получения тонкого твердого покрытия, например антибликового слоя, используемого в солнечных модулях.
Для создания нового покрытия исследовательская группа использовала предметные стекла в качестве подложки и такие химические вещества, как тетраэтилортосиликат (ТЭОС), этанол, раствор аммиака и гидрофобные наночастицы диоксида кремния. Сначала стеклянные подложки очищали ультразвуком с использованием моющего средства и этанола, промывали деионизированной водой и высушивали, чтобы удалить загрязнения. Затем с помощью ТЭОС, этанола, воды и аммиака в качестве катализатора, способствующего реакциям гидролиза и конденсации, был получен золь диоксида кремния.
После старения золь превратился в прозрачный раствор, которым покрывали стекло методом погружения с последующим высушиванием для получения гидрофильного слоя диоксида кремния. Для создания супергидрофобной поверхности гидрофобные наночастицы диоксида кремния диспергировали в этаноле и наносили на покрытое стекло методом многократного погружения. Количество циклов нанесения покрытия и концентрацию наночастиц варьировали для оптимизации коэффициента светопропускания и смачиваемости поверхности. Затем образцы спекали при разных температурах, чтобы повысить стабильность и эффективность покрытия.
Качество, состав и характеристики покрытия были проанализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИСПФ), рентгеноструктурного анализа (РСА), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и ультрафиолетовой и видимой спектроскопии.
Анализ показал, что покрытие обладает превосходной супергидрофобностью: краевой угол смачивания водой составляет около 154°, а угол скольжения — 1,5°. Также была достигнута высокая оптическая прозрачность: коэффициент пропускания достигает 96,2 % благодаря градиенту показателя преломления, создаваемому слоями диоксида кремния. По словам ученых, механические испытания также продемонстрировали высокую устойчивость к истиранию, ударам песка и капель воды. Кроме того, покрытие показало хорошую химическую стабильность в нейтральных и кислых средах и сохранило свои свойства при эксплуатации на открытом воздухе.
Наконец, при использовании в качестве покровного стекла для фотоэлектрических элементов покрытие увеличило светопропускание и повысило эффективность солнечных элементов с 13,90 % до 14,56 %.
«Повышение эффективности солнечных элементов и панелей может дать невероятный совокупный эффект», — сказал соавтор исследования Санджай С. Латте.
«За последние 20 лет на рынке появилось множество покрытий, но все они имеют свои ограничения. Сейчас мы сосредоточились на тестировании покрытий на панелях в экстремальных погодных условиях — от шотландских зим с низкими температурами и дождями до пустынного климата Дубая. Мы планируем вывести наш продукт на рынок в течение пяти лет, если не раньше».
В исследовательскую группу вошли ученые из Китайского научно-исследовательского института разведки и разработки нефтяных месторождений и Хэнаньского университета, а также из индийского колледжа Вивекананда и Университета Хериот-Ватт в Великобритании.