全球对化石燃料的使用持续加剧气候恶化，所以迫切需要部署高效可再生能源技术。其中，光伏（PV）技术因其高效的太阳能转换能力，已成为传统发电的有力替代方案。然而，表面反射和污染显著阻碍了光伏组件对太阳光能的捕获，导致光电转换效率降低（PCE）。抗反射涂层是一种通过减少表面反射引起的光能损失，从而可持续提升光伏面板功率转换效率的有效方法。然而，合理设计具有分级梯度折射率（GRIN）的全角度抗反射涂层，特别是进一步整合双疏自清洁和机械化学耐久性的有效策略仍亟待开发。

  针对上述问题，天津大学汪怀远教授团队提出了一种理论计算与实验相结合的协同策略，其能够同时优化光学梯度和表面功能性。通过光电仿真模拟，合理优化了二氧化硅纳米颗粒（SNs）的尺寸，以实现在广角度、宽光谱下散射的有效抑制。在理论建模的指导下，通过在三层设计的分级梯度折射率（GRIN）结构中精确调制SNs的折射率分布，实现了界面相位一致性。随后通过气相无氟双疏改性，使制备的双疏自清洁减反涂层（LGAC）涂覆的玻璃在可见光谱范围内具有约99.5%的峰值透射率，同时赋予其自清洁性能。此外，LGAC使光伏电池的相对光电转换效率（PCE）提升了7.1%。结合其卓越的机械化学耐久性使其成为在变幻莫测的环境条件下实现光伏面板持久性能提升与保护的理想候选表面材料。

  2025年6月10日，相关工作近期以“Computational Optimized Durable Anti-Reflective Coatings with Liquid-Repellency for Enhanced Photovoltaic Efficiency”为题发表在《Advanced Functional Materials》。天津大学化工学院博士生卜鑫瑜为论文第一作者，通讯作者为天津大学化工学院汪怀远教授。

图1. (a) LGAC的分层结构示意图，其中T-HSN和M-HSN分别代表顶层和中层的空心二氧化硅纳米颗粒，B-SSN代表底层的实心二氧化硅纳米颗粒。(b) LGAC抗反射和自清洁性能的机制示意图。

  图1a是减反增透与双疏自清洁功能集成的策略示意图。LGAC由三层依次沉积的二氧化硅纳米颗粒（SNs）组成，每层均通过计算优化折射率以实现有效的抗反射效果。从底层的实心二氧化硅纳米颗粒（SSNs）过渡到顶层的空心二氧化硅纳米颗粒（HSNs）的结构，系统性地提高了孔隙率，从而建立了梯度折射率（GRIN）架构（图1b i和1b ii）。通过气相沉积异氰酸基硅烷（IPTS）诱导接枝单羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS-OH），使得线性有机硅牢固地锚定于分层二氧化硅纳米颗粒表面，赋予涂层持久的双疏性能（图1b iii和1b iv）。

图2. 单个二氧化硅纳米颗粒的 (a) 散射截面与 (b) 散射效率随颗粒半径在400-800 nm波长范围内的变化。(c) 二氧化硅纳米颗粒构成的等效层的透射率随颗粒半径在入射角度在0°到60°条件下的变化。

  首先，二氧化硅纳米颗粒的尺寸需要进行筛选以减弱由于光学散射引起的波前损失。通过时域有限差分（FDTD）模拟，系统性地评估了不同粒径的二氧化硅纳米颗粒在可见光谱范围（400-800 nm）内的散射截面（图2a）和散射效率（图2b）。这些结果共同证实，半径为20 nm的二氧化硅纳米颗粒是后续制造LGAC的理想尺寸，实现了最小散射损耗与全角度抗反射的耦合（图2c）。

图3. (a) 底层的实心二氧化硅纳米颗粒以及 (b) 中间层和(c) 顶层的空心二氧化硅纳米颗粒的透射电镜图像。(d-e) 上述二氧化硅纳米颗粒对应的电厂密度分布图。沉积了 (g) 底层、(h)底层和中间层以及 (i) 底层和中间层和顶层二氧化硅纳米颗粒的扫描电镜界面图像。

  根据理论计算设计，分别成功制备了具有特定尺寸结构的实心（图3a）和空心（图3b和c）二氧化硅纳米颗粒，并且实现了精确的分层沉积（图3g-i）。各层的折射率与理论设计的目标折射率高度一致，证实了分级梯度折射率架构的成功制备，该架构可实现纵向光学阻抗匹配，提供减反增透性能。

图4. 不同样品的 (a) 透过率、(b)反射率光谱。(c) 不同光线入射角下的透过率与反射率。

  LGAC涂覆的玻璃在可见光谱范围内具有约99.5%的峰值透过率（图4a），反射率低于1%（图4b）。在光伏应用中，由于日照角度的变化，全角度抗反射是至关重要的，因此对LGAC涂覆的玻璃在光入射角范围从0°到60°条件下的透过率和反射率进行了评估（图4c），LGAC展现出了出色的全向抗反射性能。这主要归因于LGAC表面受蛾眼结构启发的亚波长结构，相较于光滑表面，其能更有效地抑制菲涅尔反射。

图5. (a) 不同表面张力液体和 (b) 不同粘度液体在涂层表面的接触角和滑动角。(c) 不同pH液体在涂层表面的接触角。涂层对于 (d) 油污、(e) 鸟粪和 (f) 颗粒污染物的防污自清洁性能。

  LGAC的表面自由能低至21.44 mN·m?1，其对不同表面张力（图5a）、不同粘度（图5b）以及不同pH（图5c）的液体均表现出卓越的排斥性能。同时还对包括油类污染物（图5c）、生物残留物（鸟类粪便）（图5d）、颗粒物（沙/尘）（图5e）和有机残留物（指纹液体）表现出了明显防污自清洁性能。

图6. 不同光伏电池的 (a) J-V曲线、(b)光电转换效率和最大输出功率。LGAC-玻璃覆盖的光伏电池和原始玻璃覆盖的光伏电池在自清洁测试前后的 (c) J-V曲线和 (d) 光电转换性能恢复率。

  LGAC-玻璃覆盖的光伏电池有着与未覆盖玻璃的光伏电池相近的短路电流密度（J_sc = 18.42±0.27 mA·cm?2）和开路电压（V_oc = 0.61±0.01 V）。相比之下，原始玻璃覆盖的光伏电池的短路电流密度和开路电压明显要低（J_sc = 17.23±0.38 mA·cm?2，V_oc = 0.58±0.03 V）。此外，LGAC-玻璃覆盖的光伏电池的转换效率（PCE）也接近未覆盖玻璃的光伏电池的水平，与原始玻璃覆盖的光伏电池相比，相对提升了约7.11%（图5e）。的验证，LGAC-玻璃覆盖的光伏电池最大输出功率（P_max）达到了35.43±0.12 mW，而原始玻璃覆盖的光伏电池的最大输出功率仅为33.07±0.11 mW。

  此外，还系统评估了颗粒污染及清洁后不同光伏电池样品的性能。无论是原始玻璃覆盖的光伏电池还是LGAC-玻璃覆盖的光伏电池，在模拟沙尘积累后均出现了显著的性能下降，其中短路电流（J_sc）分别下降了92%（原始玻璃覆盖的光伏电池从17.23±0.39降至1.47±0.23 mA·cm?2）和86%（LGAC-玻璃覆盖的光伏电池从18. 42±0.27至2.45±0.37 mA·cm?2）。在经过少量的水流清洁后，LGAC-玻璃覆盖的光伏电池实现了近乎完全的恢复（J_sc = 18.39±0.31 mA·cm?2，V_oc = 0.60±0.01 V），自洁恢复效率达99.89%。此项工作为高透明双疏自洁涂层、增透发电涂层等功能涂层研发和应用提供了新思路、新方法、新探索，具有重要应用前景。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202507056