北理工朱城/贺志远/陈棋团队AM：新型透明光热防冰膜，助力钙钛矿光伏极寒发电！
2025-07-10 11:42:16
作者：本网发布 来源：高分子科学前沿
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研究意义与关键问题
在寒冷气候地区，冰雪覆盖导致的光遮挡已成为制约光伏系统稳定发电的主要障碍之一，严重时可导致超50%的发电损失。此外，冰雪遮挡和极寒气候还可能诱发“热斑”失效、机械应力损伤及封装劣化等一系列结构与性能问题，严重威胁系统稳定性与使用寿命。尽管市场上已出现多种加热除冰方案，如电加热、电池自热、以及带光热材料的涂层等，但这些方案要么功耗高、能效低，要么存在结构复杂、可靠性差、维护成本高等问题，难以满足大面积户外光伏系统长期稳定运行的需求。理想的光热防冰解决方案应具备三大特性：高光透过性（保障电池正常工作）、高光热效率（实现快速除冰）、可规模化制备与长期稳定性。但现有光热薄膜在“透光发电”和“光热除冰”之间往往难以兼顾，需要对光学设计进行调整，以在设备和光热薄膜之间实现最佳的阳光吸收平衡。成为阻碍其实用化的关键瓶颈。本研究基于并网商用的光伏组件的户外运行数据，揭示了寒冷气候下冰雪遮挡对光伏系统发电性能的严重影响，其发电量损失可达约58%。针对冰雪遮挡问题，提出了一种创新的透明光热除冰薄膜设计策略。通过在光热薄膜上引入具有周期干涉效应的莫尔结构,在不降低可见光透过率的前提下，实现了高达93.0%的可见光透过率和约65.8%的近红外吸收率。研究证实，该米级柔性光热薄膜可在 −20 °C 的户外环境下保持光伏组件表面无冰覆盖。应用于钙钛矿太阳能电池的日夜循环测试进一步验证了其稳定的除冰性能和出色的能量恢复能力，冬季单日发电量提升近7.5倍。此外，该薄膜在弱光环境下亦展现出良好的光热响应和长期稳定性，展现出广泛的实际应用潜力。
要点一：为了评估冰雪对光伏发电的影响，我们收集了位于中国河北保定的一座发电站并网阵列中晶体硅组件的发电量数据，晴天周的总发电量约为 538 千瓦，而冰雪周的总发电量仅为 223 千瓦。这种显著的差异凸显了冰和雪在太阳能组件上堆积所造成的严重能量损失。为解决冰/雪覆盖造成的遮挡问题，我们制造了一种具有干涉结构的透明光热薄膜 (moiré-TP薄膜)，实现了从 75.8% 到 93.0% 的可调可见光透射率以及 23.0% 到 65.8% 的可调近红外吸收率。这种灵活性使我们能够针对各种实际场景进行定制。我们将光热薄膜应用于基于 FAPbI3的钙钛矿太阳能电池封装玻璃上作为防冰层。在 -20°C 的环境温度下，接受 AM 1.5G 太阳光照的情况下，未使用moiré-TP 薄膜的器件出现了严重的结冰现象，导致短路电流密度（JSC）大幅下降，这是由于可见光的反射和散射增强所致。相比之下，使用moiré-TP 薄膜的器件有效地融化了冰层，从而能够在极端条件下实现稳定运行。
要点二：利用宽带隙的铯钨青铜纳米颗粒来实现光热薄膜所需的特定光谱选择性。为了进一步增强近红外光的吸收能力并提高光热转换性能，我们引入了莫尔干涉结构。这种莫尔干涉结构凭借增加高阶衍射通道并自然延长光路，展现出了非凡的光管理能力。我们的研究结果表明周期为 1.5 um，旋转角度为 45°的moiré条纹结构实现了最佳的近红外光增强效果。为了开发出一种具有商业可行性的防冰产品，我们采用了基于卷对卷工艺的纳米压印技术，以实现透明光热薄膜的规模化制造。此外，该薄膜具备出色的季节性管理，背胶的设计使得moiré-TP 薄膜可以在夏季轻松揭下防止热量过分积累。可扩展的制造方式与持久的粘合性相结合，使其在各种实际应用中更具实用性。
要点三：我们进一步研究了透明莫尔干涉薄膜的光热性能，以评估其除冰能力及工作温度范围。薄膜透明度与光热转换之间的内在权衡，即增强防冰性能会自然降低透明度，反之亦然。通过光强-温度相图和透过率-温度相图预测了其在不同环境条件下的运行范围并展示了在变化环境下除冰能力，在透过率（Tv）为 82.0% 时，这种moiré光热光薄膜在单太阳光照下，在 -30 °C 的临界温度下仍保持无冰状态，这凸显了其适用于极端寒冷环境的特性。我们还在实际场景中进一步验证了我们这种可扩展薄膜的除冰效果。我们将moiré-TP 薄膜应用于中国宁夏的运行中的太阳能电池板上，这些电池板处于约 0.6 - 0.7 个太阳辐射强度的户外温度环境中，温度范围从 -1 °C 到 -18 °C。带有moiré-TP 薄膜的电池模组保持表面清洁，没有积雪或薄冰层。
要点四：为了评估moiré-TP 薄膜在太阳能电池运行过程中防冰的效果，我们将其应用于具有 p-i-n 结构的封装型钙钛矿光伏器件上。moiré-TP 薄膜在该器件的有效光吸收范围内（300 - 795 nm）保持了出色的透射率。这表明该器件能够保持其原有的高效率，而不会因防冰层而产生额外的能量损失。由于冰层对可见光的严重反射和散射，这极大地降低了光电流，导致性能下降了 82%，说明低温环境对钙钛矿的应用造成了极大阻碍。我们把带有和不带有moiré-TP 薄膜的器件在 -20°C 的条件下经历了昼夜老化循环，并且进行了连续的最大功率点跟踪（MPPT）测试。在模拟夜间（设备处于不工作状态且保持在 -20 °C 时），封装器件的表面积聚了一层厚厚的冰层。在白天，处于 AM 1.5G 单太阳光照下，moiré-TP 薄膜产生的大量热量使其温度在 3 小时内上升了 28 °C，从而导致冰层完全融化。该设备的效率逐渐恢复到了初始状态，能够在低温环境下运行超过 8 小时，这证明了moiré-TP 薄膜具有持续的热生成能力和高可靠性。总能量输出计算表明，moiré-TP 薄膜的防冰功能在寒冷环境中使设备的日能量生成提高了 7.5 倍。不同地区的温度和光照强度存在显著差异，这影响了光伏电池在全球范围内的应用部署。我们证明了moiré-TP 薄膜能够在北回归线至北极圈之间的地区有效增强抗结冰功能。
我们揭示了在寒冷气候条件下，光伏系统由于冰雪的遮挡作用会出现严重的电力输出损失（约占总电量的 58%）。为了避免牺牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可见光透射率的同时，利用其moiré结构增强了近红外光的吸收（约 65%），从而有助于高效光热转换和防冰功能。就钙钛矿电池的防冰性能而言，它证实了可靠的防冰功能，能够保持最大功率点运行 8 小时，并在七次循环中保持持续的冰融化效果。这种薄膜有效地保护了钙钛矿器件免受冰雪造成的遮挡影响，使得冬季的每日电力输出几乎增加了7.5倍。米级规模的制造过程证实了其在商业化方面的可行性，而我们的模拟结果也表明其在全球各地区用于防冰应用方面具有实用性。最后但同样重要的是，moiré-TP 薄膜独特的光谱选择性、可重复的附着力以及与各种基底的兼容性，使其成为多种透明应用和光电设备的有前景的候选材料。在实际应用中，我们期望未来开发出智能环境响应型透明光热材料，以满足moiré-TP 薄膜对钙钛矿电池防冰性能的要求。贺志远，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中国科学院青促会会员。从事表面防结冰材料、防污防腐材料研究，主持包括自然科学基金重点基金、面上基金；北京市重点基金等10多项；应邀在“2019 MRS Fall Meeting”、“16th Pacific Polymer Conference”等重要国际学术会议做邀请报告。相关工作多次被Nature, Nature Materials, Matter, Chem等国际权威期刊作为亮点专题报道。相关控冰材料，在2020年3月4日被英国材料、矿物和矿业学会IOM3（The Institute of Materials, Minerals and Mining）作为亮点工作报道并推广。发表文章60余篇，包括Nature Protocols、Nature Comm.、Sci. Adv、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、 Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.、PNAS等，申请国家发明专利40项，已授权10余项。朱城，北京理工大学前沿交叉科学研究院助理教授，博士期间获北京理工大学最高荣誉奖学金——徐特立奖学金。主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿半导体材料和复合功能薄膜的开发，可用于制备薄膜太阳能电池、柔性可穿戴光伏器件、高能辐照探测器等多类新型光电半导体器件。研究人基于同步辐射X射线技术，围绕钙钛矿材料微结构与光电响应多层次构效关系，探索多场耦合环境下材料退化机制与光伏器件失效分析，开发了材料取向演化、应力-应变调控及界面修饰等策略系统优化载流子动力学行为与器件稳定性，相关研究成果已发表学术论文40余篇，以第一/通讯作者（含共）在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letter、Joule、ACS Nano等杂志中发表SCI论文10余篇，论文总引用超5000次。在中国卓越行动计划高起点期刊Exploration担任青年编委，担任国际著名期刊Nature、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters等独立审稿人。T. Hao,P. Zhang,C. Chi,Y. Wang,W. Zhang,X. Chen,D. Wang,X. Chen,J. Ye,W. Chen,F. Kang,Y. Bai,Q. Chen,C. Zhu,Z. He,Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates.Adv. Mater.2025, 2507034.
https://doi.org/10.1002/adma.202507034
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