現代において太陽エネルギーを活用するための絶え間ない技術の進歩に伴い、PVアプリケーション用の太陽電池パネルやCSP（太陽熱エネルギー生成）で使用されるミラーなどのエネルギーデバイスの最適なパフォーマンスを維持することが重要な問題になっています.汚れたソーラーパネルはきれいな PV パネルほど多くの電力を生成しないため、実際の条件下では、ソーラーガラスカバーに微粒子や有機汚染物質が堆積することにより、そのようなソーラーセルパネルの有効効率が大幅に低下する可能性があります。
ホコリの付着は PV パネルに非常に有害な影響を及ぼしますが、その影響は地域や環境条件によって異なります。サウジアラビアのような乾燥した降水量の少ない地域では、太陽光発電パネルの効率の損失は 26 ～ 40% にも及ぶ可能性があり、太陽光発電パネルのガラス カバーの透過率は、夏のほこりのために 70% に低下します。その結果、自浄式表面は、科学研究コミュニティと、自動車、建築、光学、生物医学、家庭用デバイスなどの商用アプリケーションの分野の両方で、世界中で大きな注目を集めています。
この問題の最も実用的な解決策は、表面を疎水性、親水性、または光触媒にする能力に基づいたセルフクリーニング コーティングを適用することです。このようなコーティングをソーラーパネルで長期間使用できるようにするために、コーティングは、実質的な光透過性 (92% 以上)、適切な耐摩耗性/耐スクラッチ性、および希望の接触角。
超親水性または超疎水性の挙動を示すセルフクリーニングコーティングは、世界中の PV モジュール産業向けに商業的に展開されています。疎水性コーティングと親水性コーティングにはそれぞれ長所と短所があることに注意してください。しかし、多くの場合、自浄式の超親水性コーティングは、ラボ環境と産業環境の両方で超疎水性コーティングよりも優れていることがわかっています。それでも、耐久性のある超疎水性コーティングの多くのレシピも開発され、特許が取得され、ライセンスされています.
光触媒特性を持つコーティングは光 (UV-Vis) を吸収し、その結果、表面の汚れやその他の異物が酸化によってゆっくりと緩んだり分解したりします。また、その超親水性のおかげで、水はファウリングの下に浸透し、PV パネルの設定で設計された傾斜により表面から運び去ります。
超親水性コーティングのほとんどは、光にさらされると有機汚染物質を分解できる光触媒である TiO2 で構成されていることがわかっています。 TiO2 薄膜は、その優れた光触媒活性、実質的な機械的硬度、および光による超親水性でよく知られています。しかし、TiO2 はエネルギー バンド ギャップが広いため、可視光を吸収できず、その用途は太陽照射の UV 領域に限定されます。
私たちの最初の研究は、V-TiO2:SiO2 コーティングを含み、反射防止、セルフクリーニング特性 (「超親水性」) および可視光照射下での光触媒活性を同時に示します [1]。また、この場合、そのようなコーティングの湿潤特性を変更する際の O2 プラズマの効果が実証されています。 O2 プラズマ処理では、この研究で調査されたすべてのコーティング配合物の接触角は、その組成に関係なく 0° に減少します。
私たちの研究開発活動の 1 つで、ブロック共重合体支援蒸発誘起自己組織化 (EISA) 法を使用して、高度に規則化されたコロイド配列を備えた多孔質 TiO2 薄膜を作成する独自の技術を開発しました。私たちが採用した方法は、高分子量のトリブロック共重合体 Pluronic F127 を TiO2 ゾルと組み合わせて使用し、ディップ コーティング技術を利用してガラス基板上に TiO2 の薄膜コーティングを開発します。詳細な実験手順と調査結果は、最近の出版物 [2] の 1 つに記載されています。この作業の最初の結果は、国際会議でも発表されています [3]。
ソフトナノテクノロジーの進歩により、さまざまなナノ構造の形成と、新しい機械的、光学的、または電子的特性と特定の機能を備えた材料の作成におけるその巨大な影響が、過去数十年にわたって急増しました。ソフトナノテクノロジーは、分子の自己組織化という独自の技術を使用してポリマーベースのソフト材料とハード無機材料を統合し、高度なリソグラフィ技術を使用せずに規則的なパターンの表面を作成します。 SiO2 や TiO2 などの無機金属酸化物のパターン化された表面を作成するコロイド自己組織化の技術は、光学フィルター、フォトニック結晶、ナノ構造の反射防止コーティング、および他のいくつかのシリコンベースのデバイスの分野で幅広い適用性を見出しました。
太陽スペクトルの可視領域で TiO2 を光活性にするために、超高純度 N2 ガスを前駆体として使用する改良型 RF (13.56 MHz) スパッタリング システムでプラズマ支援技術を使用して、TiO2 に N 原子をドープしました。室温。 485 V の自己バイアス電位で 55 W で 2.50 分間のプラズマ処理は、最適化された条件であることが証明されています。 N プラズマ処理により、TiO2 膜のバンドギャップ エネルギーが 3.0 eV から 2.94 eV に減少し、光触媒活性が太陽スペクトルの 421.7 nm まで拡張されました。単成分 N ドープ多孔質 TiO2 コーティングのセルフクリーニング アクティビティの詳細な図がジャーナルに掲載されており、図 1 に示されています。
N ドープ TiO2 コーティングの自己洗浄活性は、太陽光の存在下でコーティング表面の MB の光触媒分解を研究することによって調査されます。また、コーティングは水接触角が 5° 未満の超親水性であることがわかります。ソーダ石灰ガラス スライド上のコーティングの透過率は、太陽スペクトルの可視領域で> 94% であることがわかりました。したがって、多孔性 TiO2 コーティングは、裸のガラス基板の透過率を約 4% 向上させます。コーティングのこのような挙動の背後にある理由を調査するために、分光エリプソメトリーと X 線反射率の研究が行われました。これらの両方の研究によって、かなりの気孔率〜80％が確認されました。得られた屈折率も、公開文献で報告されている TiO2 薄膜と比較して比較的低い値 (1.3) であることがわかりました。
このようなコーティングの実際の屋外用途での用途を検証するために、鉛筆硬度計とナノインデンテーション技術の両方を使用して、そのようなコーティングの機械的特性を調べました。コーティングは、微小硬度〜2.02 GPaで堅牢であることがわかります。また、鉛筆硬度計でも実用上必要な3H以上の硬度値が得られています。さらに、コーティングの接着強度を確認するために、シリカでコーティングされたガラス基板を 5% 食塩水の中に入れ、60 分以上煮沸しました。実験前後の光透過率や接触角値に剥離・剥離や変化は見られず、屋外環境に耐えうるコーティングであると言えます。ゾル組成、ディップコーティング時の引き上げ速度、蒸着後の熱処理などを調整することで、約92%の透明度を維持しながら5H以上の硬度値を達成することができました。
最後に、太陽光発電ソーラー ガラス カバー用の調整可能な湿潤性を備えたゾルゲル ベースの反射防止コーティングは、場合によっては超疎水性の挙動を示すことも、私たちのグループによって実験されています (図 2)。シリケート前駆体、触媒、およびシラン官能化の組成を変えることによって調製された単一成分混合シリカゾルを調製し、ガラス基板上にコーティングした。ディップコーティングの回収速度は慎重に最適化されています。単層 ORMOSIL (有機変性シリケート) 薄膜コーティングがガラス基板上に準備されており、ソーラー ガラス カバーのセルフクリーニング コーティングとしての用途が期待されています。
CEGESS-IIEST では、大気中の湿度が非常に低く、すぐに利用できる水資源がない場所で使用されるソーラー パネル用の電気力学的スクリーンの開発も追求されています。
参考文献:
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