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近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(yán)重時(shí)可導(dǎo)致超50%的發(fā)電損失。盡管市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種加熱除冰方案，但這些方案難以滿(mǎn)足大面積戶(hù)外光伏系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(guò)性（保障電池正常工作）、高光熱效率（實(shí)現(xiàn)快速除冰）、可規(guī)?；苽渑c長(zhǎng)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(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以在設(shè)備和光熱薄膜之間實(shí)現(xiàn)最佳的陽(yáng)光吸收平衡。

要點(diǎn)一：本研究基于并網(wǎng)商用的光伏組件的戶(hù)外運(yùn)行數(shù)據(jù)，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的嚴(yán)重影響，其發(fā)電量損失可達(dá)約58%。針對(duì)冰雪遮擋問(wèn)題，提出了一種創(chuàng)新的透明光熱除冰薄膜設(shè)計(jì)策略。

圖1 極寒環(huán)境下太陽(yáng)能電池的故障問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

要點(diǎn)二：通過(guò)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(jiàn)光透過(guò)率的前提下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)93.0%的可見(jiàn)光透過(guò)率和約65.8%的近紅外吸收率。我們采用了基于卷對(duì)卷工藝的納米壓印技術(shù)，以實(shí)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(jì)使得moire?-TP 薄膜可 以在夏季輕松揭下防止熱量過(guò)分積累?？蓴U(kuò)展的制造方式與持久的粘合性相結(jié)合， 使其在各種實(shí)際應(yīng)用中更具實(shí)用性。

圖2 透明光熱薄膜的光學(xué)設(shè)計(jì)與可擴(kuò)展制造技術(shù)

要點(diǎn)三：我們進(jìn)一步研究了透明莫爾干涉薄膜的光熱性能，以評(píng)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(qiáng)防冰性能會(huì)自然 降低透明度，反之亦然。通過(guò)光強(qiáng)-溫度相圖和透過(guò)率-溫度相圖預(yù)測(cè)了其在不同 環(huán)境條件下的運(yùn)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(diǎn)四：研究證實(shí)，該米級(jí)柔性光熱薄膜可在 ?20?°C 的戶(hù)外環(huán)境下保持光伏組件表面無(wú)冰覆蓋。應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的日夜循環(huán)測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣泛的實(shí)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(jiàn)光透射率的同時(shí)，利用其moiré結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(shí)了可靠的防冰功能，能夠保持最大功率點(diǎn)運(yùn)行 8 小時(shí)，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(hù)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(jí)規(guī)模的制造過(guò)程證實(shí)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(shí)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.