近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠教授團隊和前沿交叉學(xué)院朱城老師合作，在透明防結(jié)冰薄膜提高光伏在極端寒冷氣候下防結(jié)冰性能的相關(guān)研究中取得進展。相關(guān)研究成果以“Transparent Anti-Icing Moire?-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates ”為題在《Advanced Materials》上發(fā)表。
在寒冷氣候地區(qū)，冰雪覆蓋導(dǎo)致的光遮擋已成為制約光伏系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電的主要障礙之一，嚴重時可導(dǎo)致超50%的發(fā)電損失。盡管市場上已出現(xiàn)多種加熱除冰方案，但這些方案難以滿足大面積戶外光伏系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的需求。理想的光熱防冰解決方案應(yīng)具備三大特性：高光透過性（保障電池正常工作）、高光熱效率（實現(xiàn)快速除冰）、可規(guī)?；苽渑c長期穩(wěn)定性。但現(xiàn)有光熱薄膜在“透光發(fā)電”和“光熱除冰”之間往往難以兼顧，需要對光學(xué)設(shè)計進行調(diào)整，以在設(shè)備和光熱薄膜之間實現(xiàn)最佳的陽光吸收平衡。
要點一：本研究基于并網(wǎng)商用的光伏組件的戶外運行數(shù)據(jù)，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的嚴重影響，其發(fā)電量損失可達約58%。針對冰雪遮擋問題，提出了一種創(chuàng)新的透明光熱除冰薄膜設(shè)計策略。
圖1 極寒環(huán)境下太陽能電池的故障問題及應(yīng)對措施
要點二：通過在光熱薄膜上引入具有周期干涉效應(yīng)的莫爾結(jié)構(gòu),在不降低可見光透過率的前提下，實現(xiàn)了高達93.0%的可見光透過率和約65.8%的近紅外吸收率。我們采用了基于卷對卷工藝的納米壓印技術(shù)，以實現(xiàn)透明光熱薄膜的規(guī)模 化制造。此外，該薄膜具備出色的季節(jié)性管理，背膠的設(shè)計使得moire?-TP 薄膜可 以在夏季輕松揭下防止熱量過分積累?？蓴U展的制造方式與持久的粘合性相結(jié)合， 使其在各種實際應(yīng)用中更具實用性。
圖2 透明光熱薄膜的光學(xué)設(shè)計與可擴展制造技術(shù)
要點三：我們進一步研究了透明莫爾干涉薄膜的光熱性能，以評估其除冰能力及 工作溫度范圍。薄膜透明度與光熱轉(zhuǎn)換之間的內(nèi)在權(quán)衡，即增強防冰性能會自然 降低透明度，反之亦然。通過光強-溫度相圖和透過率-溫度相圖預(yù)測了其在不同 環(huán)境條件下的運行范圍并展示了在變化環(huán)境下除冰能力。
圖3 透明光熱膜防冰效果展示
要點四：研究證實，該米級柔性光熱薄膜可在 ?20?°C 的戶外環(huán)境下保持光伏組件表面無冰覆蓋。應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池的日夜循環(huán)測試進一步驗證了其穩(wěn)定的除冰性能和出色的能量恢復(fù)能力，冬季單日發(fā)電量提升近7.5倍。此外，該薄膜在弱光環(huán)境下亦展現(xiàn)出良好的光熱響應(yīng)和長期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣泛的實際應(yīng)用潛力。
圖4 透明光熱膜應(yīng)用于鈣鈦礦電池上的性能
我們揭示了在寒冷氣候條件下，光伏系統(tǒng)由于冰雪的遮擋作用會出現(xiàn)嚴重的電力輸出損失（約占總電量的 58%）。為了避免犧牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可見光透射率的同時，利用其moiré結(jié)構(gòu)增強了近紅外光的吸收（約 65%），從而有助于高效光熱轉(zhuǎn)換和防冰功能。就鈣鈦礦電池的防冰性能而言，它證實了可靠的防冰功能，能夠保持最大功率點運行 8 小時，并在七次循環(huán)中保持持續(xù)的冰融化效果。這種薄膜有效地保護了鈣鈦礦器件免受冰雪造成的遮擋影響，使得冬季的每日電力輸出幾乎增加了7.5倍。米級規(guī)模的制造過程證實了其在商業(yè)化方面的可行性，而我們的模擬結(jié)果也表明其在全球各地區(qū)用于防冰應(yīng)用方面具有實用性。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507034
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.
