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  全球對化石燃料的使用持續加劇氣候惡化，所以迫切需要部署高效可再生能源技術。其中，光伏（PV）技術因其高效的太陽能轉換能力，已成為傳統發電的有力替代方案。然而，表面反射和污染顯著阻礙了光伏組件對太陽光能的捕獲，導致光電轉換效率降低（PCE）。抗反射涂層是一種通過減少表面反射引起的光能損失，從而可持續提升光伏面板功率轉換效率的有效方法。然而，合理設計具有分級梯度折射率（GRIN）的全角度抗反射涂層，特別是進一步整合雙疏自清潔和機械化學耐久性的有效策略仍亟待開發。

  針對上述問題，天津大學汪懷遠教授團隊提出了一種理論計算與實驗相結合的協同策略，其能夠同時優化光學梯度和表面功能性。通過光電仿真模擬，合理優化了二氧化硅納米顆粒（SNs）的尺寸，以實現在廣角度、寬光譜下散射的有效抑制。在理論建模的指導下，通過在三層設計的分級梯度折射率（GRIN）結構中精確調制SNs的折射率分布，實現了界面相位一致性。隨后通過氣相無氟雙疏改性，使制備的雙疏自清潔減反涂層（LGAC）涂覆的玻璃在可見光譜范圍內具有約99.5%的峰值透射率，同時賦予其自清潔性能。此外，LGAC使光伏電池的相對光電轉換效率（PCE）提升了7.1%。結合其卓越的機械化學耐久性使其成為在變幻莫測的環境條件下實現光伏面板持久性能提升與保護的理想候選表面材料。

  2025年6月10日，相關工作近期以“Computational Optimized Durable Anti-Reflective Coatings with Liquid-Repellency for Enhanced Photovoltaic Efficiency”為題發表在《Advanced Functional Materials》。天津大學化工學院博士生卜鑫瑜為論文第一作者，通訊作者為天津大學化工學院汪懷遠教授。

圖1. (a) LGAC的分層結構示意圖，其中T-HSN和M-HSN分別代表頂層和中層的空心二氧化硅納米顆粒，B-SSN代表底層的實心二氧化硅納米顆粒。(b) LGAC抗反射和自清潔性能的機制示意圖。

  圖1a是減反增透與雙疏自清潔功能集成的策略示意圖。LGAC由三層依次沉積的二氧化硅納米顆粒（SNs）組成，每層均通過計算優化折射率以實現有效的抗反射效果。從底層的實心二氧化硅納米顆粒（SSNs）過渡到頂層的空心二氧化硅納米顆粒（HSNs）的結構，系統性地提高了孔隙率，從而建立了梯度折射率（GRIN）架構（圖1b i和1b ii）。通過氣相沉積異氰酸基硅烷（IPTS）誘導接枝單羥基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS-OH），使得線性有機硅牢固地錨定于分層二氧化硅納米顆粒表面，賦予涂層持久的雙疏性能（圖1b iii和1b iv）。

圖2. 單個二氧化硅納米顆粒的 (a) 散射截面與 (b) 散射效率隨顆粒半徑在400-800 nm波長范圍內的變化。(c) 二氧化硅納米顆粒構成的等效層的透射率隨顆粒半徑在入射角度在0°到60°條件下的變化。

  首先，二氧化硅納米顆粒的尺寸需要進行篩選以減弱由于光學散射引起的波前損失。通過時域有限差分（FDTD）模擬，系統性地評估了不同粒徑的二氧化硅納米顆粒在可見光譜范圍（400-800 nm）內的散射截面（圖2a）和散射效率（圖2b）。這些結果共同證實，半徑為20 nm的二氧化硅納米顆粒是后續制造LGAC的理想尺寸，實現了最小散射損耗與全角度抗反射的耦合（圖2c）。

圖3. (a) 底層的實心二氧化硅納米顆粒以及 (b) 中間層和(c) 頂層的空心二氧化硅納米顆粒的透射電鏡圖像。(d-e) 上述二氧化硅納米顆粒對應的電廠密度分布圖。沉積了 (g) 底層、(h)底層和中間層以及 (i) 底層和中間層和頂層二氧化硅納米顆粒的掃描電鏡界面圖像。

  根據理論計算設計，分別成功制備了具有特定尺寸結構的實心（圖3a）和空心（圖3b和c）二氧化硅納米顆粒，并且實現了精確的分層沉積（圖3g-i）。各層的折射率與理論設計的目標折射率高度一致，證實了分級梯度折射率架構的成功制備，該架構可實現縱向光學阻抗匹配，提供減反增透性能。

圖4. 不同樣品的 (a) 透過率、(b)反射率光譜。(c) 不同光線入射角下的透過率與反射率。

  LGAC涂覆的玻璃在可見光譜范圍內具有約99.5%的峰值透過率（圖4a），反射率低于1%（圖4b）。在光伏應用中，由于日照角度的變化，全角度抗反射是至關重要的，因此對LGAC涂覆的玻璃在光入射角范圍從0°到60°條件下的透過率和反射率進行了評估（圖4c），LGAC展現出了出色的全向抗反射性能。這主要歸因于LGAC表面受蛾眼結構啟發的亞波長結構，相較于光滑表面，其能更有效地抑制菲涅爾反射。

圖5. (a) 不同表面張力液體和 (b) 不同粘度液體在涂層表面的接觸角和滑動角。(c) 不同pH液體在涂層表面的接觸角。涂層對于 (d) 油污、(e) 鳥糞和 (f) 顆粒污染物的防污自清潔性能。

  LGAC的表面自由能低至21.44 mN·m?1，其對不同表面張力（圖5a）、不同粘度（圖5b）以及不同pH（圖5c）的液體均表現出卓越的排斥性能。同時還對包括油類污染物（圖5c）、生物殘留物（鳥類糞便）（圖5d）、顆粒物（沙/塵）（圖5e）和有機殘留物（指紋液體）表現出了明顯防污自清潔性能。

圖6. 不同光伏電池的 (a) J-V曲線、(b)光電轉換效率和最大輸出功率。LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池和原始玻璃覆蓋的光伏電池在自清潔測試前后的 (c) J-V曲線和 (d) 光電轉換性能恢復率。

  LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池有著與未覆蓋玻璃的光伏電池相近的短路電流密度（J_sc = 18.42±0.27 mA·cm?2）和開路電壓（V_oc = 0.61±0.01 V）。相比之下，原始玻璃覆蓋的光伏電池的短路電流密度和開路電壓明顯要低（J_sc = 17.23±0.38 mA·cm?2，V_oc = 0.58±0.03 V）。此外，LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池的轉換效率（PCE）也接近未覆蓋玻璃的光伏電池的水平，與原始玻璃覆蓋的光伏電池相比，相對提升了約7.11%（圖5e）。的驗證，LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池最大輸出功率（P_max）達到了35.43±0.12 mW，而原始玻璃覆蓋的光伏電池的最大輸出功率僅為33.07±0.11 mW。

  此外，還系統評估了顆粒污染及清潔后不同光伏電池樣品的性能。無論是原始玻璃覆蓋的光伏電池還是LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池，在模擬沙塵積累后均出現了顯著的性能下降，其中短路電流（J_sc）分別下降了92%（原始玻璃覆蓋的光伏電池從17.23±0.39降至1.47±0.23 mA·cm?2）和86%（LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池從18. 42±0.27至2.45±0.37 mA·cm?2）。在經過少量的水流清潔后，LGAC-玻璃覆蓋的光伏電池實現了近乎完全的恢復（J_sc = 18.39±0.31 mA·cm?2，V_oc = 0.60±0.01 V），自潔恢復效率達99.89%。此項工作為高透明雙疏自潔涂層、增透發電涂層等功能涂層研發和應用提供了新思路、新方法、新探索，具有重要應用前景。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202507056