东南大学团队研发超疏水阵列结构，可用于光伏电池和汽车挡风玻璃

随着气候变化，全球变暖日益受到公众关注。传统能源如煤炭和天然气，正在向新型能源如太阳能和风能逐渐转变。

自从 1839 年光伏效应被确认后，太阳能电池便逐步得到重视。光伏电池模块的稳定性，在很大程度上取决于其盖板玻璃。

这种玻璃不仅为太阳能电池提供机械稳定性，还能有效防止雨水、露水、灰尘和其他污染。然而，由于阳光的吸收和反射，电池板表面的污染可能会降低其光电转换效率。

因此，为光伏板找到针对固态、液态和气态污染物的有效防护策略，以保持太阳能电池高效的光电转换率，是一个亟待解决的关键问题。

目前，针对光伏板污染的控制策略主要包括两种方法：被动修复和主动预防。被动修复方法如手动或机械清洁，尽管可以实现物理清洁，但可能会增加清洁成本并对设备造成损害。

相反，如超疏水涂层这样的主动预防策略因其自清洁特性，被视为减少长期维护成本的有效方法。但超疏水涂层的透明度问题和其表面的粗糙性限制了其在光学应用中的普及。

尽管近年来通过结合金属去润湿掩模法和反应离子刻蚀技术，在玻璃表面构建透明超疏纳米阵列结构取得了一定进展，但该技术在颗粒密度和尺寸的协同增加上仍面临挑战，阻碍了通过该技术制备致密的阵列纳米结构，限制了其对固、液、气等多相污染物的防护效果。

针对当前研究现状及其所面临的挑战，东南大学张友法教授和团队探讨是否能够通过退火去润湿调控技术，协同增加金属掩模的颗粒密度和尺寸。

为达到这一目标，他们引入两阶段的退火去润湿调控策略，以构建具有更大高宽比的透明致密阵列结构的玻璃表面。当这种透明致密的超疏水阵列结构被用于太阳能电池表面时，它不仅维持了玻璃盖板本身的高透光率和良好的润湿性，还具备防尘、抗冷凝、抗结霜、抗结冰及抗菌等多种性能，显著增强了光伏电池的光电转换效率。

这为干旱或少雨地区的太阳能电池面板提供了一个创新的无水自洁解决方案。

针对本论文，审稿人认为此次所提出的透明致密超疏水阵列结构有潜力应用于太阳能电池表面。该方法提供了一种高效的透明超疏水防污玻璃制备途径，并为相关研究领域提供了很好的范例。

同时，本次研究提出的透明致密阵列纳米结构工艺，为制备高效的透明超疏水防污玻璃提供了新的思路。

此种玻璃有潜力应用于太阳能电池、建筑窗户、玻璃幕墙、汽车挡风玻璃、显示屏和摄像头镜头等领域，有效增强对多相污染物的抗积聚性能，起到良好的防污效果。

据介绍，该研究是基于与合作企业的项目合作衍生出的新课题，此前他们在前期课题研究中成功构建了透明非均匀润湿性防污玻璃。然而，在前一个课题的研究中，他们发现了金属退火去润湿掩模技术的固有缺陷，即颗粒密度和尺寸的协同增加上仍面临挑战。

在发现该问题后，研究团队调阅了大量的文献，理解现有的相关研究，创新性地提出了多次退火去润湿掩模技术，协同提升了金属颗粒掩模的颗粒密度和颗粒尺寸，制备出了致密的阵列纳米结构。

同时，结合玻璃制品高透光率和低反射率的特性，他们优化了退火去润湿掩模技术的金属膜层厚度以及沉积次数，最终制备出具有增透减反和低雾度特性的透明致密阵列纳米结构玻璃。

随后，课题组发现上述致密阵列纳米结构表面具有防尘、抗冷凝、抗结霜、抗结冰及抗菌等多种性能，可以显著增强光伏电池的光电转换效率，为干旱或少雨地区的太阳能电池面板提供了一个创新的无水自洁解决方案。

该课题组从事透明防污表面的研究已有多年，虽然取得了一系列的成果，但是负责的相关同学也付出了很多的努力。由于制备与表征的设备分布在两个校区，中间隔着长达一个半小时的车程。课题组相关的同学经常需要背着沉重的样品和笔记，乘坐第一班地铁赶到另一个校区，这对时间和精力都是一个极大的挑战。

这样的日子对从事透明防污表面研究的相关同学来说并不少见，但每一次的成果和发表的论文也是他们努力的见证。

张友法表示：“透明防污表面团队的每一位成员都明白，是那些看似平凡的跨校区奔波，汇聚成了他们的共同成果。这不仅是他们团队的故事，也是每一位为梦想和研究而努力的研究者的故事。”

最终，相关论文以《增强多相物质在透明超疏水玻璃上防积聚的紧凑型纳米柱阵列》（Compact nanopillar array with enhanced anti-accumulation of multiphase matter on transparent superhydrophobic glass）为题发在 Journal of Materials Chemistry A[1]，东南大学博士毕业生王威是第一作者，东南大学张友法教授和余新泉教授担任共同通讯作者。

尽管已经成功开发出能有效防止多相污染物积聚的透明超疏水玻璃。但本研究所构建的阵列纳米结构的机械耐久性仍是一个待解决的核心问题。值得注意的是，当前的改性工艺中采用了全氟癸基三乙氧基硅烷，这种化学物质对环境存在潜在危害。

因此，他们的后续工作将致力于开发透明无氟双疏涂层，旨在同时解决机械耐久性及氟化物问题。

另据悉，该团队还曾与多个外部企业合作开展了科技成果转化研究。张友法说：“本课题组与合作企业在显示屏表面防指纹、透明耐磨的超疏表面、汽车挡风玻璃防污等方向均保持着长期的合作与交流。”

其中，在解决企业“透明耐磨的超疏表面”揭榜难题中，他们突破性地提出了一种基于改性纳米颗粒填充纳米孔的方法，协同提升表面耐磨性和润湿性，制备了一种具有优异光学特性的耐磨透明超疏表面，为该难题提供了有价值的解决方案。基于此，张友法获得了企业“难题揭榜”科技奖。“这也是对本人工作极大的认可。”他说。

参考资料：

1.Wang, W., Mao, Z., Liu, P., Deng, W., Gu, W., Yu, X., & Zhang, Y. (2023). Compact nanopillar array with enhanced anti-accumulation of multiphase matter on transparent superhydrophobic glass.Journal of Materials ChemistryA, 11(35), 18679-18688.