一种应用于光伏组件的自清洁纳米材料及其制备方法与流程

本技术涉及光伏组件领域，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、为了提高材料的自清洁能力，本技术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。

2、第一方面，本技术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：

3、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：

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、第二方面，本技术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：

21、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：

22、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；

23、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；

24、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。

25、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。

26、综上所述，本技术具有以下有益效果：

27、1、本技术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。

28、2、由于本技术采用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。

29、2、本技术通过溶剂-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。