文献前沿丨Small：仿生热响应水凝胶涂层：实现光伏组件的全天候自适应冷却

随着全球能源转型加速，光伏技术因其可再生、低碳和高效的特点，正逐步成为实现清洁能源目标的重要路径。然而，太阳能电池在实际应用中温度会升高，使得效率降低，因此，开发高效、低成本的光伏降温技术成为提升其发电效率与系统寿命的关键。蒸发冷却因其无需额外能源输入、可显著降低表面温度而备受关注，但现有技术常面临吸湿能力不足、水管理效率低及环境适应性差等问题。受地毯鲨“吸水膨胀–释水收缩”行为启发，本研究提出一种仿生热响应型水凝胶涂层，基于天然多糖羟丙基纤维素（HPC）与海藻酸钠（SA），复合吸湿盐CaCl₂制成，具备良好的温敏可逆亲疏水调节能力。该材料可在夜间自发吸湿，白天随温度升高自动加快水释放，实现全天候、无需能量输入的自适应水管理与被动蒸发冷却，展现出显著的温控性能和应用潜力。相关工作以Biomimetic thermo-responsive hydrogel coating for passive photovoltaic cooling via self-adaptive water management为题发表在Small期刊。

本研究提出了一种仿生热响应型水凝胶涂层，用于实现五能量输入的自适应蒸发冷却。其结构与自适应水管理机制如图1所示：材料以羟丙基纤维素（HPC）为骨架，复合海藻酸钠（SA）与吸湿盐CaCl₂，模拟鲨鱼皮肤的“吸湿-释水”行为，在温度变化下实现亲疏水界面可逆切换，从而驱动水分自循环。图2展示了该水凝胶在不同温度下的界面响应特性及微观结构变化。随着温度升高，凝胶表面从亲水转为疏水，有助于加快表面水分释放，并通过孔隙结构促进蒸发传质。图3评估了该涂层在实际光伏冷却场景中的降温能力与蒸发性能。在强辐照（约850 W/m²）条件下，热响应凝胶使电池温度降低最高可达17.6°C，蒸发冷却通量达到407 W/m²，显著优于对比水凝胶与未冷却电池。此外，如图4所示，该涂层具备优异的稳定性与环境适应性，在高湿与循环工况下仍保持稳定冷却性能，具备良好的实际应用潜力。该仿生设计为可持续的光伏温控提供了低能耗、高效能的新思路。

图1：工作原理示意图。(a)网纹地毯鲨在不同情境下的体型变化；(b)水凝胶冷却涂层的仿生材料设计，用于增强蒸发冷却性能。

图2：样品表征。(a)水凝胶冷却涂层的外观图；(b)水凝胶涂层在光伏面板上的附着力测试；(c)水凝胶涂层的扫描电子显微镜（SEM）图像；(d)对(c3)区域的元素分布图，聚焦于N、C、Ca和Na元素；(e)不同海藻酸钠（SA）浓度与温度条件下水凝胶的吸水能力（WAC）；(f)不同SA含量下水凝胶的半径变化及其膨胀/收缩态的半径比；(g)水凝胶及其组分的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；(h)不同温度下水凝胶的拉曼光谱；(i)本研究与文献中水凝胶吸水性能的对比。

图3：实验室测试下的蒸发冷却性能。(a)纯光伏组件与涂层光伏组件的温度变化曲线，以及冷却温度随光照时间的变化；(b)纯光伏组件在光照初始与60分钟后的I–V和P–V特性曲线；(c)纯光伏与涂层光伏组件在不同光照时间下的开路电压（Voc）与最大功率输出（Pmax）；(d)在一个太阳光照强度下，不同厚度与相对湿度条件下涂层光伏组件表面温度随光照时间变化的等高线图；(e)不同厚度、相对湿度和太阳辐照条件下，1小时后的最大冷却温度与蒸发水量；(f)不同厚度、相对湿度和太阳辐照条件下的冷却功率；(g)文献中蒸发冷却性能的对比，重点为冷却功率与冷却温度。

图4：户外测试下的蒸发冷却性能。(a)涂覆水凝胶的“HNU”图案树脂模具及其对应的红外热像图；(b)蒸发冷却性能评估系统的实地照片；(c) 2024年9月21日长沙地区纯组件与涂层组件的实时太阳辐照强度、表面温度及功率输出；(d)水凝胶涂层的蒸发冷却性能七天循环测试结果；(e)水凝胶涂层在初制、连续工作7天后与再生状态下的压缩应力–应变曲线。

小结：本研究提出了一种仿生热响应型水凝胶涂层，可实现无需外部能耗的光伏被动冷却。该涂层由羟丙基纤维素（HPC）、海藻酸钠（SA）与氯化钙（CaCl₂）复合构成，具备热致亲疏水转变特性，可在夜间吸湿储水、白天随温度升高加快水分释放，从而驱动全天候蒸发冷却循环。利用 CaCl2强大的吸湿特性，使得该涂层在相对湿度为 70% 时的吸水率达到了 216.4%，在 1000 W/m2的条件下达到了 379.49 W/m2的峰值制冷功率。该水凝胶结构柔软轻薄，可直接涂覆于光伏组件表面，无需额外黏结材料，且在吸湿与雨淋条件下仍具有良好稳定性，显著降低维护成本。这种方法使光伏板表面的温度显著降低了 19.2 °C。此外，材料可在夜间自动恢复吸湿能力，具备出色的再生循环性，适应多种气候环境。该策略为提升高温地区光伏系统的效率与可靠性提供了全新材料方案，兼具成本可控、制备简便和应用灵活等优势，具有良好的大规模推广前景。

论文信息：Liu Y., Xu W., Zhou X., et al. Biomimetic thermo-responsive hydrogel coating for passive photovoltaic cooling via self-adaptive water management. Small, 2025; 2502386. https://doi.org/10.1002/smll.202502386.

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