3.TiO2膜层的其他特点 3.1、分解有机物的能力 复合纳米TiO2材料除具备亲水性自洁能力以外,还能够具有分解有机物的能力。这是因为纳米二氧化钛的带隙能约为3.2eV,相当于约387.5nm光子的能量。当受到波长小于387.5nm的紫外光的照射时,价层电子会被激发到导带,而产生具有很强活性的电子-空穴对: 这些电子-空穴对迁移到表面后,可以参加氧化还原反应,加快光降解反应。这些反应包括:所产生的电子-空穴可将吸附在二氧化钛颗粒表面的羟基和水分子氧化为OH·自由基: 缔合在四价钛离子表面的OH-自由基为强氧化剂,能够氧化相邻的有机物,也可以扩散到液相中氧化有机物。许多有机物也可被空穴所氧化。吸附在二氧化钛表面的氧气可以通过捕获电子,形成过氧负离子而阻止电子与空穴的复合,继而提高其氧化反应活性: 过氧化氢能够单独与过氧离子作用或捕获电子而产生羟基自由基: 应用二氧化钛纳米涂层后,能够将附着在光伏组件表面的有机污染物分解,如鸟粪等,避免长时间热斑对光伏电池的影响,提高组件安全性和可靠性。 3.2、吸收紫外线能力 众所周知,组件背板成分和EVA均属于高分子材料,紫外能量引发断键从而导致材料老化的影响非常显著,老化后的材料会出现发黄(EVA)、降解、龟裂等问题,严重影响组件发电量、寿命,甚至使用安全。因此,减少紫外线对EVA和背板的照射量,能够有效的延缓材料老化的。 纳米二氧化钛中成分的纳米尺寸效应可以使其在紫外光波段发生非常强烈的吸收,吸收的紫外波段能量可转化为光解反应动能。在玻璃上使用可以降低背板和EVA的紫外线吸收量,大幅延缓组件背板和EVA的老化,延长组件使用寿命。 纳米二氧化钛材料的吸收曲线 上图纳米二氧化钛溶液吸收曲线可以观察到,纳米二氧化钛在400nm以下的紫外波段吸收率接近100%。 3.3、增加透光率 当膜层内的粒子尺寸和形态等均达到最优效果时,TiO2纳米膜层可以通过减小玻璃表面的粗糙度等特性帮助玻璃表面提升透光率,尤其在入射角较大情况下,透光量会有一定程度的增加。除此之外,由于纳米二氧化钛在特定状态下具有光致发光和上转换发光特性,可以将短波和长波长能量转化为可见光波段能量,增加了入射光,有效地增加光伏组件的发电量。 4.纳米TiO2自清洁玻璃制造工艺 我们发现市场上也曾推出过针对光伏组件的自清洁技术,可由于工艺缺陷导致膜层在短期内即出现失效情况,有些膜层与玻璃基底的结合力差,不仅丧失了自清洁能力,更严重的是影响了光伏组件的发电能力。实际上,自清洁玻璃膜层的性能和可靠性,与材料和其制造工艺都有密切关系。 目前国内外制造超亲水自清洁玻璃的方法有很多种,包括脉冲激光沉积(PLD)法、化学气相沉积(CVD)法、化学液相沉积(CLD)法和溶胶—凝胶(Sol-Gel)法等化学方法,以及物理气相沉积(PVD)法、磁控溅射法等物理方法。技术在不断进步发展中,这其中,目前已达到工业化生产程度的传统方法为溶胶凝胶法、磁控溅射法和化学沉积法。另外,也出现了TiO2和无机氧化物等混合水溶液常温喷涂方法。 磁控溅射法是一种高速低温的镀膜物理方法,是指在真空条件下,电子在阴极(靶材)和阳极(基底)之间电场的作用下飞向基片,此过程中与工作气体(氩气)原子发生碰撞,电离出大量氩离子和电子,氩离子在电场的作用下以高速轰击钛靶材表面,通过动能传递,使钛靶材获得足够的动能,从而从靶表面逸出,沉积在基片上形成薄膜。该法得到的自清洁膜纯度高,与玻璃基底结合力高,膜层的厚度精确可控。但是,工业规模化生产玻璃表面生成的TiO2薄膜为无定型TiO2薄膜,亲水性及自清洁性能非常有限。同时还存在镀膜效率低的问题。 化学沉积过程可以概括为含有钛的化合物气化后,和O2成为混合气体最后借助气相反应使含钛混合气体在玻璃沉积,生成结晶的纳米TiO2薄膜。采用CVD法制成的薄膜具有容易结、致密性好、纯度高等优点,非常适合规模化生产。同时工艺和沉积参数的调控可以实现精确控制薄膜杂量的效果,沉积质量高。但是,利用化学气相沉积法生产的自清洁玻璃锐钛矿类活性晶型组分含量较低,薄膜超亲水和光催化功能有限,最重要的是化学气相沉积法生产的自清洁玻璃透光率会有所降低。英国的皮尔金顿公司和美国的PPG公司均采用CVD法在线生产自清洁玻璃,但透光率均小于85%,无法达到光伏组件的使用要求。 溶胶凝胶法的基本原理是以金属醇盐为原料,加入溶剂、水催化物剂等通过与聚合反应的制得溶胶凝胶液,再用提拉法、旋转法等,将溶胶凝胶液涂到基片上,经过干燥焙烧后制得二氧化钛薄膜。常用的钛醇盐有Ti(OC2H5)4、Ti(OC4H9)4、Ti(OC4H9n)4等,无机盐有TiCl4等。这种方法最大的优点是制成的薄膜具有良好的光催化性能和亲水性,工艺设备比较简单,容易大面积制备均匀薄膜。材料的晶粒尺寸、表面形貌及结构特征易于调控。缺点在于要经过高温化处理,耗能较大。此外固化过程中热处理参数的变化对最终性能影响较大。 针对光伏组件自清洁玻璃,以上方法均需要较大的设备投入,且不易达到高透光率效果,也不能用于改造已建成电站光伏组件。因此,针对光伏组件的使用特点,行业内出现了常温喷涂法,即将含有二氧化钛的混合溶液在常温下使用轻便的专业设备直接喷涂于组件玻璃表面,与玻璃直接进行反应固化成膜。这项技术的主要难点在于膜层的可靠性,具体来说,即膜层和玻璃的结合力能否经受光伏组件的户外使用环境考验。另外还有,使用后能否不影响甚至超过普遍应用的光伏组件超白压花玻璃91%-92%的高透光率。目前,能够保证提升组件发电量又满足组件25年使用寿命的产品极少。目前,市面上只有SSG纳米自清洁技术产品在保证产品寿命前提下又拥有大规模的实际使用经验,能够提升3-5%的电站发电量。其制得的薄膜透明度好、质量高、性能稳定、与基材的粘结力很强、耐候性很强,目前还没有出现与它相媲美的产品,是一项在光伏发电应用领域领先的技术。 5.结语 通过研究分析可知,自清洁技术能够帮助组件提高发电量,显著提高电站收益水平,但是,并不是所有的自清洁技术均能达到光伏组件的使用要求,请业主和组件厂在选择过程中注重考察自清洁产品的可靠性、自清洁效果,以及是否会对玻璃透光率产生不良影响。
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