中国科学院理化技术研究所:双重交联策略!耐用、全疏性、抗反射和光转换的多功能复合涂层
2026-06-24 15:46:27 作者:涂料驿站 来源:涂料驿站 分享至:

 

全球对化石燃料的依赖不断加剧气候的不稳定,迫切需要迅速推广高效的可再生能源技术。其中,光伏(PV)技术凭借其高效的太阳能转换能力,已成为传统发电方式的一种可靠替代方案。然而,光谱失配(吸收紫外(UV)和红外(IR)线不可吸收)、表面反射和污染问题,严重阻碍了光伏板对太阳能的吸收,降低了其功率转换效率(PCE)功能性涂层作为解决这些问题的有效手段,却往往存在功能单一或长期耐久性不足的问题。目前,集防污、抗紫外线和抗反射功能的多功能涂层的研究仍相对有限。此外,这些涂层的耐用性还需进一步提升,以满足实际应用的严格要求。

全疏性类液体涂层以超低表面能著称,已成为实际工程应用中极具前景的选择。这主要归因于其能够克服传统表面改性策略的固有限制,例如超疏水/超亲水涂层易发生微米/纳米结构退化而失效,光滑液体注入多孔表面存在润滑剂耗尽和机械稳定性差的问题。类液体涂层独特的功能特性源于柔性聚合物链,通常以全氟聚醚(PFPE)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过共价键锚定在基材上。由于其玻璃化转变温度极低,这些接枝聚合物链在常温条件下仍能保持优异的流动性和准液态。这种动态分子行为使得探针液滴与涂层之间的固-液界面能够转变为类液-液界面,从而实现最小的接触滞后和污染物的高效动态脱附。此外,类液体涂层具有光滑、缺陷少的表面和高光学透明度,特别适用于太阳能电池盖板、显示面板和精密光学镜头等自清洁光学设备。对于太阳能电池盖板应用来说,有两个关键性能指标至关重要:一是可靠的防尘自清洁能力,以维持透光率和能量转换效率;二是在恶劣工作环境下,尤其是长期的紫外线(UV)照射下,保持长期的结构稳定性。然而,迄今为止,针对类液体涂层这些关键性能方面的系统性研究仍相对匮乏,这已成为其在太阳能收集和先进光学技术中大规模应用的一大瓶颈。更重要的是,类液表面的长期耐久性从根本上受到两种相互关联的失效机制制约:(1)紫外线照射导致柔性聚合物链发生光氧化断裂;(2)在轻微摩擦力下,接枝聚合物链从基材表面机械脱落。其中,由机械磨损引起的降解对实际应用尤为不利,因为即使微小的物理接触或环境磨损也可能破坏共价接枝界面,导致类液体表面性质丧失和性能迅速下降。这一关键限制凸显了迫切需要开发新一代类液体涂层,将优异耐磨性与固有的动态表面功能相结合,这是弥合实验室演示与实际工程应用之间差距的关键前提。

提高太阳能电池活性层接收到的光子数量是提升其功率转换效率(PCE)的有效策略之一,这可以通过抗反射光转换两种主要方法实现。玻璃表面上的抗反射涂层(ARC)会引起入射光和反射光发生干涉,从而降低反射率并提高透射率。这项技术发展迅速,并已在工业上广泛应用。在众多候选材料中,二氧化硅(SiO2)基材料因其丰富的资源和优异的化学稳定性,已成为玻璃基材上ARC的首选。对于硅太阳能电池,硅半导体的主要响应范围(400–1100nm)与地面太阳辐射的主要光谱范围(250–2500nm)之间存在明显的光谱失配,导致能量损失超过60%。Eu(TTA)3Phen配合物是一种基于镧系元素的有机发光体,因其独特的光物理性质而成为光谱转换的潜在解决方案。该配合物在高达400nm的波长下有效激发,并在500–700nm范围内产生特征性的窄带发射。它集成了多种优势,包括高量子产率、无毒成分、成本低廉以及适合工业化生产的特性,使其特别适用于光伏应用。目前,已有大量研究致力于将Eu(TTA)3Phen配合物与光伏器件结合,通过光谱转换来提升其性能。然而,如何将这种光谱转换能力与持久的拒液性和抗反射性相结合仍是一个挑战。

近期,中国科学院理化所贺军辉团队采用双重交联策略,通过两步旋涂工艺成功制备了一种高透明、全疏性且耐用的多功能涂层

首先在玻璃基材上旋涂中空二氧化硅纳米颗粒(HSNs)抗反射涂层,然后再通过旋涂工艺涂覆荧光/拒液(AHP@Eu溶胶)涂层,最终获得AHP@Eu/HSNs涂层。

所制得的涂层具有优异的全疏性,能有效地将有害紫外光(200–400nm)转化为可收集的可见光(400–800nm)。该涂层降低了折射率并抑制了光散射,在400–800nm范围内透光率高达93.6%,比裸玻璃高出2.1%。经过1.0×105次磨损循环(10kPa)、1000次胶带剥离、30天紫外线暴露以及在刺激化学物质中浸泡后,该涂层仍能保持所有核心功能,表现出优异的耐久性

本研究为高性能防护涂层提供了一种可行的解决方案,在太阳能电池板和光学器件中具有广阔的应用前景,可显著提升能量转换效率、使用寿命和表面清洁度。



示意图













AHP@Eu/HSNs涂层的结构及多功能集成示意图



涂层的制备













AHP@Eu/HSNs涂层的制备。(a)HDIT-PDMS合成机理示意图;(b)AHP@Eu溶胶合成示意图;(c)AHP@Eu/HSNs涂层制备示意图。


数据来源与出处


 

相关研究成果以“A dual-crosslinking strategy toward durable, omniphobic, anti-reflective and light conversion multifunctional comprehensive coatings”为标题发表在《Progress in Organic Coatings》上。

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