張　天，袁成清，張　彥，嚴(yán)新平

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所， 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 武漢 430063)

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納米TiO2對船用太陽能電池板玻璃蓋片光學(xué)性能的影響

張?zhí)?,2，袁成清1,2，張彥1,2，嚴(yán)新平1,2

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所， 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 武漢 430063)

摘要：船用太陽能電池板長期處于含大量腐蝕性物質(zhì)且十分潮濕的海洋環(huán)境中，因此極易產(chǎn)生表面缺陷，影響其光學(xué)性能，從而極大地降低船用太陽能電池板的工作效率。而納米TiO2涂層在一般環(huán)境中具有較好的防腐蝕及疏水性能及一定的自潔能力，如能將其應(yīng)用于船用太陽能電池板玻璃蓋片，則可緩解上述問題。為嘗試將其應(yīng)用于船舶太陽能電池板玻璃蓋片，分別采用3種不同的方法制備了納米TiO2涂層的玻璃蓋片試樣，并用紫外分光光度計測定各塊試樣的透射比。結(jié)果表明，采用刮涂法制備的蓋片試樣光學(xué)性能最佳，且與普通玻璃蓋片相近甚至更大。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；玻璃蓋片；納米TiO2；海洋環(huán)境

0引言

船舶，是目前世界交通運輸?shù)闹饕ぞ咧?。為解決大量船舶帶來的環(huán)境污染問題、能源消耗問題以及降低運營成本的問題，將綠色清潔能源應(yīng)用于船舶逐漸成為了船舶行業(yè)的發(fā)展趨勢。

船舶可利用的綠色清潔能源主要指太陽能、氫能、核能和風(fēng)能等。其中，太陽能由于其豐富性、永久性、清潔性，是清潔能源中應(yīng)用較為廣泛的一種能源。目前，太陽能在大型船舶上應(yīng)用模式主要為電力輔助系統(tǒng)及應(yīng)急電源后備，在部分普通小型船舶上則作為主動力或與其它動力混合使用[1-2]。

現(xiàn)階段，船舶太陽能的利用主要是通過光伏發(fā)電實現(xiàn)的。而前一般太陽能電池板由表面罩、太陽能電池組件及背面罩構(gòu)成。顯然，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率與太陽能電池組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著莫大的聯(lián)系。

然而，由于通常被人們所忽略的太陽能電池板的玻璃蓋片是光能轉(zhuǎn)換成電能的必經(jīng)之路，因此其表面狀況會直接影響光電轉(zhuǎn)換效率，特別是在海洋環(huán)境中。

相對一般的陸地環(huán)境，海洋環(huán)境中，不僅海水含有大量具有穿透作用的氯離子，大氣中還富含氯化鹽、硫酸鹽、氮氧化物、硫化氫、二氧化硫等腐蝕性物質(zhì)及水蒸氣，容易產(chǎn)生鹽塵、鹽霧。同時，在海洋環(huán)境這種潮濕的環(huán)境中還很容易滋生各種微生物(如霉菌等)，它們產(chǎn)生的有機酸也會腐蝕太陽能電池板玻璃蓋片。這些因素的共同作用使船用太陽能電池板玻璃蓋片極易被腐蝕，這會嚴(yán)重影響其光學(xué)性能，進而極大地降低光伏系統(tǒng)的工作效率。一旦出現(xiàn)上述情況，為保證太陽能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，就需要人工定期清潔太陽能電池玻璃蓋片，并更換嚴(yán)重腐蝕的玻璃蓋片。顯然，這不僅會增加船用太陽能光伏系統(tǒng)的運行成本，也會耗費極大的人力物力[3-4]。為維持光伏系統(tǒng)工作效率、降低維護成本，可嘗試將納米TiO2涂層應(yīng)用于船舶太陽能電池玻璃蓋片。

納米TiO2光催化膜在陸地環(huán)境中具有較好的防腐蝕能力及疏水性能，并有一定的自潔特性。如果在海洋環(huán)境中，這種涂層依然能表現(xiàn)出這些特性，就可考慮將其應(yīng)用于船舶太陽能光伏電池板的玻璃蓋片表面，從而在不影響發(fā)電效率的前提下降低該系統(tǒng)在運行中的維護維修成本[5-6]。因此，研究長期處于海洋環(huán)境下的納米TiO2光催化膜涂層對玻璃蓋片光學(xué)性能的改變具有十分重大的意義。為探究將納米TiO2涂層應(yīng)用于船用太陽能電池板玻璃蓋片的可行性，首先對涂覆納米TiO2涂層的玻璃蓋片的光學(xué)性能進行驗證，并通過對比分組實驗結(jié)果得出最適于制備具納米TiO2涂層玻璃蓋片的方法，以便下一步開展海洋環(huán)境下的實驗。

由于太陽能電池中轉(zhuǎn)換為電能的光能主要來源顯然是通過玻璃蓋片透射的太陽光，且透射比是反映光學(xué)性能的主要指標(biāo)，本文將通過測量透射比以初步確定材料的光學(xué)性能。

1納米TiO2的結(jié)構(gòu)及薄膜特性

TiO2有3種晶型：銳鈦礦型，金紅石型，板鈦礦型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。3種晶型的結(jié)構(gòu)均由TiO6八面體的基本單元構(gòu)成。其中，銳鈦礦和金紅石晶型結(jié)構(gòu)是正方晶系(銳鈦礦與金紅石晶型的差異主要在于八面體結(jié)構(gòu)畸變程度、連接方式等不同)，板鈦礦晶型屬于斜方晶系。

圖1　3種晶型的結(jié)構(gòu)

由于板鈦礦型TiO2的穩(wěn)定性較差，目前關(guān)于銳鈦礦和金紅石型TiO2的應(yīng)用較多，這兩種類型的TiO2薄膜材料已廣泛應(yīng)用于抗反射涂層、光波導(dǎo)、光催化等諸多領(lǐng)域[7-8]。這兩種晶型TiO2薄膜的部分參數(shù)如表1所示。對比這兩種晶型，金紅石型TiO2薄膜的透射率高，折射率可達2.5以上；銳鈦礦型TiO2的光催化活性最好，在紫外光的作用下可實現(xiàn)有機物的光催化降解。

基于目前已有研究，銳鈦礦型TiO2光催化的機理為：TiO2具有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下，能量較低的能級被體系中的電子優(yōu)先占據(jù)。當(dāng)TiO2接受能量大于其禁帶寬度(3.2 eV)光照時，處于價帶的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶(躍遷)，并分別在價帶和導(dǎo)帶上產(chǎn)生高活性的光生空穴和電子對。接著它們可能立即復(fù)合，或在電場作用下分離而遷移到表面不同的位置。此時電子具有還原性，空穴則具有強氧化性，從而在表面形成氧化還原反應(yīng)，大多數(shù)有機物都能被光生載流子直接或間接地氧化或還原[7-10]。

銳鈦礦型TiO2的這種作用有利于解決船用太陽能電池板玻璃蓋片表面的防污、自清潔，是非常理想的涂料。因此本文實驗采用銳鈦礦型TiO2。

表1　銳鈦礦及金紅石型TiO2薄膜參數(shù)

2實驗

2.1實驗方法

定制適用于紫外分光光度計尺寸的太陽能電池板鋼化玻璃蓋片，選取定制的空白玻璃蓋片作為參比試樣，將其它玻璃蓋片分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組，并在普通的陸地環(huán)境中，分別采用蘸取法、平面刮涂法和刷涂法用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組的玻璃蓋片制備納米TiO2涂層的玻璃蓋片試樣。待所有試樣的涂層全部晾干，用紫外分光光度計測量每塊試樣在不同波長的光下的透射比。對實驗數(shù)據(jù)進行分析后可獲得制備納米TiO2涂層的最佳方案，并驗證納米二氧化碳涂層試樣的光學(xué)性能。

在該探究性實驗中，在制備涂層時暫不考慮涂層厚度等因素的影響，在后續(xù)的進一步研究中著重考慮。

2.2實驗材料和儀器

實驗材料：平板狀玻璃蓋片，其尺寸為4.5 cm×1.2 cm×0.6 cm；納米TiO2溶液。

光學(xué)性能測試儀器：北京普析TU-1810PC型紫外分光光度計。

2.3納米TiO2涂層玻璃蓋片制備

在定制的玻璃蓋片中選取10塊表面光潔無缺陷的玻璃蓋片，用清水沖洗干凈后晾干。選取其中一塊玻璃蓋片作為參比試樣，并將其余玻璃蓋片每3個一組共分為3組，并在玻璃蓋片側(cè)面做好編號標(biāo)記(試樣所處環(huán)境的平均氣溫約23 ℃，濕度約70%)。

(1) 第Ⅰ組：該組采用蘸取法制備試樣。將適量納米TiO2溶液倒入培養(yǎng)皿中，用鑷子夾住玻璃蓋片側(cè)面，將其一光滑面朝下直接從培養(yǎng)皿中蘸取納米TiO2溶液后，將其豎直放置于平面使涂層面與平面垂直，于室內(nèi)環(huán)境下晾干(在室內(nèi)晾干可避免通風(fēng)處灰塵粘黏到涂層上)。

(2) 第Ⅱ組：該組采用平面刮涂法制備試樣。用滴管吸取適量納米TiO2溶液，在試樣光滑面靠近邊緣處滴一滴溶液。用載玻片的光滑面的邊緣輕輕接觸玻璃蓋片上液滴的邊緣，然后慢慢全部覆蓋貼合。待溶液均勻覆蓋平面后，將載玻片慢慢從平面上慢慢平行滑下。將涂好涂層的玻璃蓋片涂層面朝上平置于室內(nèi)環(huán)境下晾干。

(3) 第Ⅲ組：該組采用刷涂法制備試樣。用洗凈的潔凈的小刷子蘸取適量納米TiO2溶液，將溶液直接涂上試樣一光滑面。將涂好涂層的玻璃蓋片涂層面朝上平置于室內(nèi)環(huán)境下晾干。

2.4透射性能測試

分光光度計可測定儀器接收的發(fā)射光光強的百分比。發(fā)射光穿過材料達到接收系統(tǒng)的光強百分比即為材料在相應(yīng)波長下的透射比。該實驗采用北京普析TU-1810PC型紫外分光光度計測量每塊試樣的透射比，并以無涂層玻璃蓋片作為參比樣品。

從200 nm開始，測定每隔2 nm波長的光照下每塊試樣的透射比，直至光的波長到達1 000 nm為止。

3實驗結(jié)果與分析

計算同波長下每組中的3塊試樣的透射比取平均值，并分別作出每組中每個試樣透射比的變化曲線、每組試樣透射比平均值的變化曲線，以及3組試樣平均值的對比變化曲線，如圖2-5所示。

圖2　第Ⅰ組試樣透射比隨波長的變化曲線

Fig 2 Curves of transmittance change with wavelength for groupⅠ

Fig 3 Curves of transmittance change with wavelength for group Ⅱ

圖4　第Ⅲ組試樣透射比隨波的變化曲線

Fig 4 Curves of transmittance change with wavelength for group Ⅲ

由圖5可知，3組試樣中，第Ⅱ組試樣透射比平均值在實驗設(shè)定的大部分波長的光下透射比大于其它兩組。這可能是因為采用刮涂法制備的試樣表面粗糙度及均勻度好于另兩種方法，因此第Ⅱ組試樣透射性能也優(yōu)于其它方法。

圖5Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣透射比平均值隨波長的對比變化曲線

Fig 5 Comparison curves of transmittance average change with wavelength for Group Ⅰ, Ⅱand Ⅲ

由圖2-4可看出，在400～1 000 nm(目前太陽能電池板主要使用單晶硅電池，其響應(yīng)光譜在400～1 100 nm之間，響應(yīng)強度從400～900 nm左右遞增[12])的所有波長的光下，第Ⅱ組試樣透射比平均值均大于其它兩組試樣，且在該范圍內(nèi)測得所有透射比數(shù)值均接近或大于100 %。這是因為TiO2是一種半導(dǎo)體材料，只能吸收能量大于其禁帶寬度(銳鈦礦禁帶寬度約為3.2 eV，相當(dāng)于約380 nm的光子能量)的光，因此其對340 nm 以下紫外線具有良好的吸收特性，而對可見光幾乎不吸收。這使納米TiO2具有良好的可見光透過性。加之，納米TiO2具有超親水性，且其親水性在紫外光照射下會有提高。這樣如果在下雨天或空氣中水蒸氣在電池板表面凝結(jié)成水珠，表面附著的水滴可以迅速擴散，形成均勻的水膜，而不會形成水滴，從而保持高度的透明性，使光電轉(zhuǎn)換效率得以維持[7]。

綜上所述，由圖2-5可獲得如下規(guī)律：(1) 采用刮涂的方式制備的試樣透射比最大，即通過這種方式制備的玻璃蓋片光學(xué)性能最佳；(2) 在400～1 000 nm波長的光下，相比沒有涂層的玻璃蓋片有納米TiO2涂層玻璃蓋片的光學(xué)性能幾乎不變；(3) 在400～1 000 nm波長范圍內(nèi)，納米TiO2涂層的玻璃蓋片光學(xué)性能波動較小。

4結(jié)論

(1)納米TiO2涂層適合應(yīng)用于太陽能電池板玻璃蓋片表面，對其光學(xué)性能影響很小。

(2)涂覆的方式對涂層的光學(xué)性能有一定的影響，本文中采用刮涂方式制備的玻璃蓋片涂層光學(xué)性能最佳。

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Influence of nanometer titanium dioxide on optical property of marine solar panel cover-glass

ZHANG Tian1,2, YUAN Chengqing1,2, ZHANG Yan1,2, YAN Xinping1,2

(1. Reliability Engineering Institute, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport),Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:Marine solar panels are in the complicated marine environment chronically where is very humid and contains large quantities of corrosive substances, so they are easily corroded. Thereby optical performance and photoelectric conversion efficiency of marine solar panels will be affected to a large extent. Nanometer titanium dioxide coating possesses superior anticorrosion performance, hydrophobicity and certain characteristic of self-cleaning in general environment. If it can be applied to marine solar panels, this problem can be alleviated. In order to apply nanometer titanium dioxide coating to marine solar panel cover-glass, cover-glass samples with nanometer titanium dioxide coating in general environment were prepared using 3 different methods. Then the transmittance of each sample was measured by ultraviolet spectrophotometer. And the results show that cover-glass samples with nanometer titanium dioxide coating which are prepared by method of scrape coating have the best optical property, and their optical property is similar to or even better than general cover-glasses.

Key words:solar panel; cover-glass; nanometer titanium dioxide; marine environment

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.013

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TB304

作者簡介：張?zhí)?1989-)，女，武漢人，在讀碩士，師承袁成清教授，從事船舶新能源研究。

基金項目：工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計劃資助項目(工信部聯(lián)裝[2012]540號)

文章編號：1001-9731(2016)03-03070-04

收到初稿日期：2015-02-07 收到修改稿日期：2015-06-15 通訊作者：袁成清，E-mail: ycq@whut.edu.cn