劉云鵬1李浩義1李樂1尹曉萱1吳欣玥1周松松2
(1.華北電力大學(xué)河北省綠色高效電工新材料與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保定0710032.中國電力科學(xué)研究院有限公司北京100192)
摘要：該文基于光伏板靜電除塵的應(yīng)用需求，制備得到一種單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜。首先搭建人工加速氙燈老化、鹽霧老化、高溫老化、高低溫老化實(shí)驗(yàn)平臺開展單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的老化實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行薄膜的耐老化性能分析。然后搭建光伏板靜電除塵實(shí)驗(yàn)平臺對該薄膜在靜電除塵中的應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫老化和高低溫老化對單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)形貌和光電性能的影響較小，而經(jīng)過2000h光老化和鹽霧老化后，薄膜方阻分別上升至未老化時(shí)的14.6倍和28.7倍。鹽霧老化造成導(dǎo)電薄膜從基底上部分脫落，使得靜電除塵率由未老化時(shí)的98.35%下降至81.76%,而其他三種類型的老化不會對靜電除塵效果造成明顯影響。最后，采用整合自回歸移動平均模型進(jìn)行單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的品質(zhì)因數(shù)和應(yīng)用壽命預(yù)測。研究結(jié)果對單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜在以光伏玻璃外表面為代表的室外應(yīng)用場景下的有效使用和壽命評估具有重要意義。
關(guān)鍵詞：單壁碳納米管透明導(dǎo)電薄膜人工加速老化靜電除塵
引言
太陽能是一種經(jīng)濟(jì)、清潔、環(huán)保的新能源，更高效、充分、合理地利用太陽能資源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的可行方法以及改善能源結(jié)構(gòu)的重要舉措[1-2]。作為利用太陽能的一種重要途徑，光伏發(fā)電具有低碳、清潔和零排放等特點(diǎn)，近年來在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速[3-6]。太陽能光伏板(下稱“光伏板”)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部件，而表面的自然積塵對光伏板發(fā)電情況有著顯著的不利影響[7-8]。ChenJinxin等在中國浙江的研究結(jié)果表明，在未發(fā)生降雨的情況下，一周的自然積塵會導(dǎo)致光伏板的輸出功率降低約7.4%[9]。M.Dida等在阿爾及利亞瓦爾格拉市撒哈拉沙漠環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，與表面無塵狀態(tài)相比，8周的戶外暴露引起光伏組件的最大輸出功率、短路電流和開路電壓分別下降了8.41%、6.10%和0.51%[10]。可見，有效且高效的光伏板表面除塵已成為不可回避的重要問題[11-14]
近年來，一種不同于傳統(tǒng)電動力電極靜電除塵形式的新型靜電吸附式除塵(下稱“靜電除塵”)方法逐漸成為研究熱點(diǎn)，該除塵方法的基本原理為：采用透明導(dǎo)電薄膜作為光伏板表面材料，同時(shí)在光伏板上方放置高壓電極，由此使得灰塵顆粒在電場中荷電，帶電顆粒在靜電力的作用下從光伏板表面起跳，最終實(shí)現(xiàn)光伏板面的有效除塵[15]。除塵形式及結(jié)構(gòu)如圖1所示。在荷電過程中，灰塵顆粒的主要電荷來源為與之相接觸的透明導(dǎo)電薄膜，而光伏板表面的應(yīng)用場景又對薄膜的光學(xué)性能有著嚴(yán)苛要求[16-17]。因此，選取綜合性能更優(yōu)的透明導(dǎo)電薄膜關(guān)系到該靜電除塵方法進(jìn)一步推廣及應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和可行性。本課題組已有研究指出，相較于目前使用較為廣泛的氧化銦錫(IndiumTinOxide,ITO)透明導(dǎo)電薄膜、氟摻雜氧化錫(Fluorine-dopedTinOxide,FTO)透明導(dǎo)電薄膜和納米銀線(SilverNanowires,AgNWs)透明導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電填料為碳納米管(CarbonNanotubes,CNTs)的透明導(dǎo)電薄膜具有較低的制備成本、更佳的綜合性能和更優(yōu)的除塵效果[16-17],該類型透明導(dǎo)電薄膜是光伏板靜電除塵技術(shù)中的優(yōu)選薄膜材料。
圖1基于透明導(dǎo)電薄膜的光伏板靜電除塵形式示意圖
CNTs具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能，常見的CNTs制備方法有電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法、水熱法、電解法和模板法等[18-22]。CNTs透明導(dǎo)電薄膜是一種既導(dǎo)電又在可見光波段內(nèi)具有較高透光率的薄膜材料，兼具單根CNTs的性質(zhì)以及CNTs之間接觸所產(chǎn)生的新性能，可通過直接生長法、化學(xué)氣相沉積法、噴涂法、真空抽濾法、提拉法、棒涂法等方法制備得到[23-28]。已有研究表明，單壁碳納米管(Single-WalledCNTs,SWCNTs)薄膜材料比多壁碳納米管(Multi-WalledCNTs,MWCNTs)薄膜材料的導(dǎo)電性更好[29-31],應(yīng)用于光伏板靜電除塵中具有不可替代的優(yōu)勢。ZhangQiang等采用化學(xué)氣相沉積法制備得到了導(dǎo)電性能優(yōu)異(方阻為115.2Ω/□)和透光率可調(diào)的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜，該薄膜可通過干式方法轉(zhuǎn)移到PET(polyethyleneglycolterephthalate)基底上[27]。B.Dan等采用棒涂法制備得到了可快速、簡單、大規(guī)模生產(chǎn)的SWCNTs薄膜，薄膜在方阻100Ω/□時(shí)的透光率為80%,該性能在常溫條件可穩(wěn)定8周以上[28]。
此外，本課題組現(xiàn)有研究表明，在500～1×10?Ω/□的方阻范圍內(nèi)，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻對靜電除塵效果的影響較小[16],而對于光伏板表面的應(yīng)用場景，提升薄膜的透光率有利于增加光伏電池接收的光輻照度，進(jìn)而提升光伏板的發(fā)電效率。因此，有必要在適當(dāng)犧牲電氣性能的基礎(chǔ)上制備得到透光率更高的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜，從而在滿足較優(yōu)除塵效果的前提下避免光伏板發(fā)電性能的惡化。然而，目前SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜大多應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境或較少與空氣接觸處，對于可應(yīng)用于室外環(huán)境中的高方阻、高透光率SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的制備研究尚不完善，薄膜暴露于室外環(huán)境時(shí)其性能的變化情況未見報(bào)道，亟須開展長時(shí)間人工加速老化實(shí)驗(yàn)，分析SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的老化性能及其在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果，從而為推動基于透明導(dǎo)電薄膜的光伏板靜電除塵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
本文在獲得可直接涂布的SWCNTs導(dǎo)電墨水的基礎(chǔ)上，采用棒涂法制備得到SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜，搭建氙燈老化、鹽霧老化、高溫老化、高低溫老化實(shí)驗(yàn)平臺開展SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的人工加速老化實(shí)驗(yàn)研究，分析老化前、后SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)形貌、電氣、光學(xué)等性能的變化情況，評價(jià)該薄膜在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果，并進(jìn)行該薄膜在不同場景下的品質(zhì)因數(shù)預(yù)測和應(yīng)用壽命預(yù)測。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1材料與設(shè)備
本文實(shí)驗(yàn)所用材料如下：水性SWCNTs分散液(SCC-8-10-1,嘉興納科新材料)、十二烷基硫酸鈉(SodiumDodecylSulfate,SDS,上海阿拉丁)、聚氨酯(FS-WPU,山東奧利隆化工)、聚氨酯流平劑(XF-820,山東鑫隆輝化工)、分析純氯化鈉(廣東云星生物技術(shù))。
本文制備薄膜及進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的設(shè)備包括：磁力攪拌器(MS7-H550-Pro,南京炯創(chuàng)科技)、玻璃基片(GL-100100-0.7,洛陽尚卓科技，尺寸為10cm×10cm),涂布棒(OSP-08,廣州科域儀器設(shè)備)、高溫加熱臺(YZ-100,濟(jì)寧裕澤工業(yè)科技)、氙燈(XCZG-1500,廣州星創(chuàng)電子)、鹽霧實(shí)驗(yàn)機(jī)(OLT-60B,寧波歐林特儀器)、分析純氯化鈉(AR-NaCl,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑)、恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9053A,上海一恒科學(xué)儀器)、超低溫冰柜(DW-60W108,杭州冰星制冷電器)。
本文測試薄膜性能時(shí)使用的設(shè)備有：X射線衍射儀(X-RayDiffraction,XRD;D8ENDEAVOR,德國Bruker公司)、X射線光電子能譜儀(X-ray PhotoelectronSpectroscopy,XPS;Nexsa,美國ThermoFisher公司)、傅里葉紅外變換光譜儀(FourierTransformInfraredspectrometer,FTIRspectrometer;BrukerTensor27,德國Bruker公司)、掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM;NOVANANO230,美國FEI公司)、透光率霧度測試儀(TH-100,浙江彩譜科技)、高精度四探針法電阻率測試儀(HPS2663,常州海爾帕電子科技)、接觸角測試儀(JC2000DM,上海中晨科技)。
評價(jià)薄膜在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果時(shí)使用的設(shè)備包括：光伏板(XY-10,廣州小柚新能源，表面尺寸為10cm×10cm,峰值功率為0.72W,峰值電壓為6V)、140目沙漠原沙(內(nèi)蒙古庫布齊沙漠)、電子分析天平(XPR5003SC,梅特勒托利多科技)、高壓直流電源(DW-P503-1ACDFO,東文高壓)、光伏板MPPT測試儀(PVT801,武威博領(lǐng))、金屬板(實(shí)驗(yàn)室自制，尺寸為10cm×10cm×2cm)。
1.2試樣制備
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的棒涂法制備方法示意圖如圖2所示。
圖2sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的棒涂制備方法示意圖
首先制備SWCNTs導(dǎo)電墨水：將水性SWCNTs分散液、SDS、聚氨酯、聚氨酯流平劑混合于去離子水中，采用磁力攪拌器將前述溶液在50℃水浴中攪拌15min以實(shí)現(xiàn)充分、均勻的混合，即可獲得分散良好的CNTs墨水。
采用棒涂法制備SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜：將鍍膜用玻璃基片放置于涂布板上，使用滴管吸取適量SWCNTs導(dǎo)電墨水并滴于鍍膜用玻璃基片表面，采用涂布線棒進(jìn)行SWCNTs導(dǎo)電墨水的涂布，棒涂后將表面帶有SWCNTs導(dǎo)電墨水的鍍膜用玻璃基片水平放置約1min,待墨水流平后將鍍膜用玻璃基片放置于高溫加熱臺上，高溫加熱臺溫度設(shè)為120℃,在該條件下退火5min即可得到膜層厚度為8μm、尺寸為10cm×10cm的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜。采用該薄膜進(jìn)行光、鹽霧、高溫、高低溫老化實(shí)驗(yàn)及性能分析。
1.3老化實(shí)驗(yàn)平臺
1.3.1光老化實(shí)驗(yàn)平臺
光老化實(shí)驗(yàn)平臺如圖3a所示。采用自制的氙燈老化實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光老化實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建氙燈老化實(shí)驗(yàn)平臺，采用氙燈模擬自然光源、日光濾波器處理以模擬所需的光譜能量分布，氙燈老化實(shí)驗(yàn)箱溫度保持為恒溫50℃,到達(dá)薄膜表面的輻照度為300W/m²,老化時(shí)間為2000h。
圖3 sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化實(shí)驗(yàn)平臺
1.3.2鹽霧老化實(shí)驗(yàn)平臺
鹽霧老化實(shí)驗(yàn)平臺如圖3b所示。采用鹽霧實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的鹽霧老化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)IEC60068—2—11進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用中性鹽霧條件，所配制的溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的分析純氯化鈉水溶液。鹽霧實(shí)驗(yàn)機(jī)保持為恒溫35℃,鹽霧噴嘴處相對濕度保持在85%以上。采用連續(xù)噴霧法，老化時(shí)間為2000h。
1.3.3高溫老化實(shí)驗(yàn)平臺
高溫老化實(shí)驗(yàn)平臺如圖3c所示。采用恒溫鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的高溫老化實(shí)驗(yàn)。恒溫鼓風(fēng)干燥箱保持為恒溫80℃,老化時(shí)間為2000h。
1.3.4高低溫老化實(shí)驗(yàn)平臺
高低溫老化實(shí)驗(yàn)平臺如圖3d所示。采用恒溫鼓風(fēng)干燥箱、超低溫冰柜進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的高低溫老化實(shí)驗(yàn)。恒溫鼓風(fēng)干燥箱保持為恒溫80℃,超低溫冰柜溫度保持為-35℃。首先將sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜放置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中12h,隨后將SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜取出并放置于超低溫冰柜中12h,周而復(fù)始直至老化結(jié)束，老化時(shí)間為2000h。
1.4表征與測試
采用X射線衍射儀進(jìn)行老化前、后薄膜的XRD測試；采用X射線光電子能譜儀進(jìn)行老化前、后薄膜的XPS測試；采用傅里葉紅外變換光譜儀進(jìn)行老化前、后薄膜的紅外光譜測試，波數(shù)掃描范圍為500～4000cm-;采用掃描電子顯微鏡拍攝老化前、后薄膜的SEM圖像。
采用透光率霧度測試儀測試?yán)匣啊⒑髎WCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率和霧度；采用高精度四探針法電阻率測試儀測試?yán)匣啊⒑骃WCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻；采用接觸角測試儀測試薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角。測試時(shí)，均勻選取每片薄膜的5個(gè)不同位置進(jìn)行測試，取數(shù)據(jù)平均值以表征該片薄膜的各項(xiàng)性能，每次測試樣品數(shù)量不少于10個(gè)。
為進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化對其在光伏板靜電除塵中應(yīng)用效果的研究，搭建如圖4所示實(shí)驗(yàn)平臺。其中，采用氙燈模擬光源，光伏板與sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的尺寸相匹配，采用140目沙漠原沙模擬光伏板表面灰塵顆粒，光伏板以與地面平行的方式放置于電子分析天平上，采用高壓直流電源為金屬板施加6kV正極性直流高壓，金屬板底部與表面材料為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光伏板表面之間的距離為1cm。
圖4基于SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光伏板靜電除塵實(shí)驗(yàn)平臺
采用篩網(wǎng)將140目沙漠原沙均勻撒至表面材料為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光伏板表面并控制整體積灰密度為5mg/cm²。除塵實(shí)驗(yàn)前及除塵完成(除塵區(qū)域內(nèi)的灰塵顆粒不再運(yùn)動)后，采用電子分析天平稱取光伏板及其表面灰塵顆粒的整體質(zhì)量(分別記為M*、M),同時(shí)稱取撒至光伏板表面的灰塵顆粒的總質(zhì)量(記為M')。采用光伏板MPPT測試儀測得光伏板在不同薄膜老化情況下的最大發(fā)電功率Pmax?。同時(shí)設(shè)置表面僅采用普通鋼化光伏玻璃的光伏板作為對照(下稱“普通光伏板”),測得相同條件下光伏板的最大發(fā)電功率(Pmax2)。
本文將除塵率和光伏板發(fā)電效率的歸一化值作為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在光伏板靜電除塵中應(yīng)用效果的核心評價(jià)指標(biāo)。除塵率ω計(jì)算式為
（1）光伏板發(fā)電效率η的歸一化值計(jì)算式[32-33]為
（2）
2結(jié)果與討論
2.1結(jié)構(gòu)形貌分析
在光、鹽霧、高溫和高低溫老化的過程中，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌將不可避免地發(fā)生變化，且不同類型老化對薄膜造成影響的機(jī)制不同，因此有必要研究SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌，從而為分析薄膜的各項(xiàng)性能在老化過程中的變化情況提供基本依據(jù)。
sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的XRD圖譜如圖5所示。
圖5 sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的XRD圖譜
圖5表明，相較于未老化的情況，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在經(jīng)過2000h的加速老化后，XRD圖譜中(100)晶面所對應(yīng)的衍射峰向右發(fā)生小角度偏移，可見在高輻照度、高鹽霧濃度、高溫和高低溫循環(huán)的長時(shí)間持續(xù)作用下，SWCNTs中碳原子間的相互作用受到影響，原子間的平衡狀態(tài)被不同程度破壞，造成了晶體結(jié)構(gòu)和對稱性的改變，從而可能導(dǎo)致了晶格畸變的發(fā)生[34-36]。其中，鹽霧老化和光老化導(dǎo)致(100)晶面所對應(yīng)的衍射峰向右偏移約0.14°和0.12°,而在高溫老化和高低溫老化后，XRD圖譜中(100)晶面所對應(yīng)的衍射峰均向右偏移約0.06°,由此認(rèn)為高鹽霧濃度和高輻照度更不利于SWCNTs內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的XPS全圖譜如圖6所示，圖中可清晰地觀察到SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜中屬于C、O、Si和Na的特征峰。
圖6 sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的XPS全圖譜
由于薄膜中的主要化學(xué)鍵及可能生成的化學(xué)鍵大多為碳鍵，同時(shí)薄膜材料的光電性能與SWCNTs關(guān)系密切，因此主要關(guān)注C1s在老化過程中的變化情況。SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后C1s的XPS圖譜如圖7所示。
(a)未老化(b)光老化后
(c)鹽霧老化后(d)高溫老化后
(e)高低溫老化后
圖7 sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后Cls的XPS圖
由圖7可知，相較于未老化的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜，經(jīng)過2000h的老化后，薄膜中C—C的含量有所下降，而C—O和C=O的含量上升。由于老化前、后的C—O和C=0來源于碳納米管的含氧官能團(tuán)，老化后其含量上升表明SWCNTs可能在老化過程中發(fā)生了一定程度的氧化反應(yīng)。
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的紅外光譜圖如圖8所示。可以看出，老化前、后薄膜中羥基(—OH)所對應(yīng)的3200～3300cm-¹區(qū)域的特征吸收峰、羰基(C=0)所對應(yīng)的1680～1760cm-¹區(qū)域的特征吸收峰發(fā)生明顯變化。其中，與羥基所對應(yīng)的特征吸收峰值降低，羥基數(shù)量減少，而羰基所對應(yīng)的特征吸收峰值升高，羰基數(shù)量增加，這主要是老化過程中功能性助劑等含羥基物質(zhì)逐漸減少、且SWCNTs發(fā)生氧化反應(yīng)所致。同時(shí)，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化后并未出現(xiàn)新的特征吸收峰，表明老化過程中不產(chǎn)生新的官能團(tuán)。
圖8 sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的紅外光譜圖
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的SEM圖如圖9所示。圖9表明，在本文采用棒涂法制備的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜中，sWCNTs彼此交疊，呈現(xiàn)出無序的分布狀態(tài)。在2000h的光、鹽霧、高溫、高低溫老化后，SWCNTs的結(jié)構(gòu)在宏觀上均未發(fā)生明顯變化。光老化條件下，薄膜的極少數(shù)位置出現(xiàn)小面積脫落現(xiàn)象，常見于薄膜光老化過程中的微小裂紋[37]并未出現(xiàn)，高溫老化、高低溫老化后的薄膜表面未出現(xiàn)裂紋或脫落。然而，鹽霧老化造成了多區(qū)域、大面積的薄膜脫落，這對于薄膜保持各項(xiàng)性能的穩(wěn)定極為不利。
(a)未老化(b)光老化后
(c)鹽霧老化后(d)鹽霧老化后
(e)高溫老化后(f)高低溫老化后
圖9sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜老化前、后的SEM圖
2.2光電性能分析
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率T的高低影響到光伏電池接受到的輻照度大小，若SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在老化過程中出現(xiàn)明顯的透光率下降的情況，則極易造成光伏板的發(fā)電效率降低。同時(shí)，薄膜的導(dǎo)電性能是影響靜電除塵效果和效率的重要因素，若SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在老化過程中出現(xiàn)明顯的導(dǎo)電性能下降，即薄膜方阻Rg明顯上升，則將對靜電除塵效果造成不利影響。本節(jié)對SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在光、鹽霧、高溫、高低溫老化過程中光電性能的變化情況展開分析。
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率和霧度隨老化時(shí)間的變化情況如圖10所示。可見，在光、高溫、高低溫老化過程中，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，鹽霧老化過程中，薄膜的透光率先下降后上升，最終仍未達(dá)到未老化時(shí)的透光率，薄膜的霧度在2000h的光、鹽霧、高溫、高低溫老化后均有所上升。四種老化條件下，光老化對SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜透光率的影響最大，2000h老化后薄膜的透光率降低至90.39%。鹽霧老化對SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的霧度產(chǎn)生了較大影響，2000h老化后薄膜的霧度上升至4.98%。
(a)光老化后(b)鹽霧老化后
(c)高溫老化后(d)高低溫老化后
圖10sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率和霧度隨老化時(shí)間的變化情況
引起SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜透光率下降的主要原因?yàn)槔匣^程中聚氨酯材料的黃變現(xiàn)象以及薄膜表面的雜質(zhì)沉積。在光老化過程中，聚氨酯材料中的亞甲基吸收光線后發(fā)生氧化并形成氫過氧化物，最終形成二醌-酰亞胺結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聚氨酯變黃[38-40]。相較于未老化時(shí)91.34%的透光率，2000h光老化后薄膜的透光率下降了0.95%,下降程度較低，聚氨酯的黃變現(xiàn)象并不嚴(yán)重。由于高溫老化、高低溫老化在恒溫鼓風(fēng)干燥箱和超低溫冰柜的密閉環(huán)境中進(jìn)行，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜從環(huán)境中吸收到的光線更少，雜質(zhì)沉積更少，因此薄膜透光率的下降程度更低。
由于添加了非透明的導(dǎo)電填料，因此SWCNTs透明導(dǎo)電層的透光率低于玻璃基底。圖9c表明，在高濕、高腐蝕性的條件下，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜與玻璃基底之間的粘附性較差，因此在鹽霧老化過程中，導(dǎo)電層脫落面積的增大導(dǎo)致其透光率在一段時(shí)間的下降后反而有所上升。此外，如圖9d所示，在鹽霧老化過程中，一部分無法去除的鹽粒沉積于薄膜表面，薄膜的霧度隨沉積鹽粒的增多而上升。
品質(zhì)因數(shù)KFoM是衡量透明導(dǎo)電薄膜光電性能的常用指標(biāo)，能夠?qū)⒈∧さ耐腹饴屎头阶柘嘟Y(jié)合從而進(jìn)行光電性能的綜合評價(jià)，可根據(jù)Haacke式[41]計(jì)算得到。
（3）sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻和品質(zhì)囚數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況如圖11所示。根據(jù)圖11的測試結(jié)果可知，隨著老化時(shí)間的增加，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻表現(xiàn)為明顯的上升趨勢。其中，高溫老化和高低溫老化對薄膜方阻的影響相對較小，2000h老化后薄膜的方阻分別為8.418×10?Ω/□和8.633×104Ω/□。2000h的光老化和鹽霧老化后，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻分別達(dá)到4.753×10?Ω/□和9.337×10?Ω/□,約為未老化時(shí)的14.6倍和28.7倍。
(a)方阻(b)品質(zhì)因數(shù)
圖11sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的方阻和品質(zhì)因數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況
高溫老化和高低溫老化對薄膜方阻和品質(zhì)囚數(shù)的影響較小表明：盡管SWCNTs的耐溫度特性取決于其自身性質(zhì)，如直徑、長度等，但在本文所述的溫度范圍內(nèi)，SWCNTs仍可保持極佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，明顯的形變、熔化等情況并未出現(xiàn)，sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜具有優(yōu)異的耐高溫和耐高低溫疲勞特性。
然而，雖然SWCNTs本身具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，耐腐蝕性較好，但SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜如果從玻璃基底上脫落，則脫落位置的導(dǎo)電性能將迅速變差，而SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜鹽霧老化后的SEM圖像表明，隨著鹽霧老化時(shí)間的增加，從玻璃基底上脫落的導(dǎo)電區(qū)域增多，測試得到的方阻隨之不斷上升。
光老化導(dǎo)致薄膜方阻顯著上升表明，長時(shí)間的高輻照度光老化使得SWCNTs出現(xiàn)缺陷，從而影響了自身的導(dǎo)電性，同時(shí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完整性在老化過程中可能被破壞。然而，盡管在2000h的光老化后，薄膜品質(zhì)因數(shù)下降至未老化時(shí)的6.16%,但相較于其他類型透明導(dǎo)電薄膜材料而言，仍認(rèn)為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光電性能具有較強(qiáng)的光穩(wěn)定性，這一性質(zhì)歸因于SWCNTs網(wǎng)絡(luò)所具有的電子環(huán)效應(yīng)，它可以分散和過濾太陽光的能量，使得薄膜在老化過程中保持光電性能的相對穩(wěn)定[42]。
2.3表面能分析
本課題組已有研究表明，在靜電除塵過程中，透明導(dǎo)電薄膜材料的表面性質(zhì)對灰塵顆粒處于同一電場強(qiáng)度下的運(yùn)動情況有著顯著影響，宏觀體現(xiàn)為透明導(dǎo)電薄膜的表面能越大，薄膜與灰塵顆粒之間的粘附力越大，相同粒徑的灰塵顆粒從光伏板表面起跳所需要的電場強(qiáng)度越大。因此，有必要開展老化對SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜表面能影響的分析，薄膜的表面能可基于水接觸角和乙二醇接觸角數(shù)據(jù)計(jì)算得到。
sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角隨老化時(shí)間的變化情況如圖12所示。由圖12可知，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角均隨老化時(shí)間的增加而增大，光老化所引起的水接觸角和乙二醇接觸角增大的程度最大，2000h的光老化后薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角分別可達(dá)69.24°和55.98°,而鹽霧老化對水接觸角和乙二醇接觸角的影響最小，2000h的鹽霧老化后薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角分別為60.74°和46.77°。
(a)水接觸角(b)乙二醇接觸角
圖12sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角隨老化時(shí)間的變化情況
SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的接觸角發(fā)生變化與薄膜表面變質(zhì)程度隨老化時(shí)間的增加而改變有關(guān)。結(jié)合圖8所示結(jié)果可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜中的部分羥基發(fā)生斷裂，親水基團(tuán)減少，潤濕性變差，從而導(dǎo)致接觸角變大。此外，在鹽霧老化過程中，導(dǎo)電薄膜脫落以及鹽粒沉積同樣對接觸角造成影響。
老化前、后薄膜表面能可分別表示為[43]
Ys=ys+ys(4)
（5）
式中，y.、y、y?和θ分別為薄膜的表面能、分散表面能、極性表面能及接觸角；、y和y分別為滴定液體的表面能、分散表面能和極性表面能；去離子水和乙二醇的yL分別為21.8mJ/m²、29.3mJ/m²,L分別為51.0mJ/m²、19.0mJ/m²。計(jì)算得到老化前和2000h后SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的分散表面能、極性表面能和表面能如圖13所示。
(a)分散表面能和極性表面能
(b)表面能
圖13老化前、后SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的分散表面能、極性表面能和表面能
計(jì)算結(jié)果表明，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的表面能在2000h老化后減小，此時(shí)薄膜與灰塵顆粒之間的粘附力減小，相同粒徑的灰塵顆粒從光伏板表面起跳所需要的電場強(qiáng)度下降。因此，從表面能角度來看，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜發(fā)生老化有望對靜電除塵效果產(chǎn)生有利影響。
2.4靜電除塵應(yīng)用效果分析
前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜發(fā)生老化會引起關(guān)鍵性能的變化，并將宏觀體現(xiàn)于靜電除塵應(yīng)用效果的改變。本節(jié)開展SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的光伏板靜電除塵實(shí)驗(yàn)，研究薄膜老化對靜電除塵效果的影響。
在溫度為25℃、相對濕度為50%的環(huán)境下，按照1.4節(jié)中所述方法開展靜電除塵實(shí)驗(yàn)，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果如圖14所示
圖14sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果
圖14所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于未老化時(shí)可達(dá)98.35%的靜電除塵率，光老化、高溫老化、高低溫老化后的靜電除塵率稍有下降，分別為97.52%、97.71%、97.63%,而鹽霧老化后靜電除塵率明顯下降至81.76%。除塵后，采用未老化SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜作為表面材料的光伏板的發(fā)電效率可達(dá)普通光伏板的97.81%,而光老化、鹽霧老化、高溫老化、高低溫老化后光伏板的發(fā)電效率分別下降至普通光伏板的93.52%、89.71%、96.33%、96.21%,即除塵率越高，光伏板的發(fā)電效率越高，而在除塵率相當(dāng)?shù)那闆r下，采用透光率更高的薄膜有利于提升光伏板的發(fā)電效率。
可見，2000h的光老化、高溫老化、高低溫老化對靜電除塵效果以及除塵后光伏板的發(fā)電情況造成的負(fù)面影響較小，而鹽霧老化對光伏板的靜電除塵率造成了明顯的不利影響，而除塵率的降低又進(jìn)一步影響了光伏板的發(fā)電效率。其中，薄膜形貌對除塵率的影響主要體現(xiàn)在鹽霧老化造成了薄膜的多區(qū)域、大面積脫落，薄膜脫落的位置不再具有導(dǎo)電性，此處的灰塵顆粒在荷電過程中失去了最為主要的離子來源，在電場中的荷電量極小，以至于無法滿足從光伏板表面起跳的基本除塵條件[16],除塵率隨之下降；同時(shí)，方阻的明顯上升同樣導(dǎo)致同一電場強(qiáng)度下灰塵顆粒荷電量減小，不利于靜電除塵過程的進(jìn)行。由于除塵率降低，光伏板表面未被清除的灰塵顆粒增多，光伏電池得以接收到的光輻照度減少，光伏板的發(fā)電效率隨之降低。
2.5應(yīng)用壽命預(yù)測
對于光伏板表面靜電除塵的應(yīng)用需求，能夠很好地表征薄膜光電性能的品質(zhì)因數(shù)可作為評價(jià)使用壽命的主要指標(biāo)。為進(jìn)一步分析SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用于不同地區(qū)的耐老化性能以及在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果，并在此基礎(chǔ)上給出薄膜在光伏板表面的有效使用壽命，本節(jié)基于不同的老化模型開展SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在不同應(yīng)用場景下的品質(zhì)因數(shù)預(yù)測和應(yīng)用壽命預(yù)測。
由于本文所進(jìn)行的人工加速老化實(shí)驗(yàn)類型較多，且不同老化條件下的品質(zhì)因數(shù)變化情況復(fù)雜，目前并無能夠有效預(yù)測性能變化情況的特定預(yù)測公式或老化模型。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的品質(zhì)因數(shù)具有明顯的時(shí)間序列特征，因此可采用整合自回歸移動平均(AutoregressiveIntegratedMovingAverage,ARIMA)模型[44-45]預(yù)測SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在不同老化條件下品質(zhì)因數(shù)的變化情況。
為更好地訓(xùn)練模型并驗(yàn)證模型的有效性，將老化時(shí)間為0～1500h的品質(zhì)因數(shù)劃分為訓(xùn)練集，將老化時(shí)間為1600～2000h的品質(zhì)因數(shù)作為測試集，并采用平均絕對誤差(MeanAbsoluteError,MAE)和方均根誤差(RootMeanSquaredError,RMSE)對測試集的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。MAE和RMSE計(jì)算式分別為
式中，x,為品質(zhì)因數(shù)計(jì)算值；x,為品質(zhì)因數(shù)預(yù)測值；n為值的個(gè)數(shù)。
sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在老化過程中的品質(zhì)因數(shù)及預(yù)測結(jié)果如圖15所示，預(yù)測模型的誤差指標(biāo)見表1。
老化時(shí)間(h)
圖15sWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在老化過程中的品質(zhì)因數(shù)及預(yù)測結(jié)果
表1預(yù)測模型的誤差指標(biāo)
圖15所示結(jié)果和表1所述的誤差指標(biāo)均表明，
本文采用的ARIMA模型能夠較好地預(yù)測品質(zhì)因數(shù)的變化趨勢，具有較高的預(yù)測精度，可為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的壽命預(yù)測提供支撐。
認(rèn)為除塵率不低于90%且除塵后光伏板的發(fā)電效率不低于普通光伏板發(fā)電效率的92%為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在光伏板表面的最低應(yīng)用要求[16],結(jié)合前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，薄膜的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)當(dāng)大于7.4×10-7Ω-¹。則根據(jù)實(shí)驗(yàn)及預(yù)測結(jié)果，在本文所述的人工加速光老化、鹽霧老化、高溫老化、高低溫老化條件下，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的最長使用壽命分別為2300h、1000h、2900h和3000h。該結(jié)果可為SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在不同地區(qū)的應(yīng)用壽命分析及預(yù)測提供參考。
3結(jié)論
基于光伏板表面靜電除塵的戶外應(yīng)用場景，本文采用棒涂法制備得到SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜，搭建氙燈老化、鹽霧老化、高溫老化、高低溫老化實(shí)驗(yàn)平臺，開展薄膜的人工加速老化實(shí)驗(yàn)，研究薄膜的耐老化性能及靜電除塵應(yīng)用效果，采用ARIMA模型進(jìn)行不同場景下的薄膜品質(zhì)因數(shù)預(yù)測和應(yīng)用壽命預(yù)測。主要結(jié)論如下：
1)對SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的透光率和霧度產(chǎn)生最大影響的老化類型分別是光老化和鹽霧老化，2000h老化后薄膜的透光率降低至90.39%,霧度上升至4.98%。高溫老化和高低溫老化對薄膜方阻的影響較小，老化后薄膜的方阻分別為8.418×104Ω/□和8.633×104Ω/□,而光老化和鹽霧老化造成薄膜方阻分別上升至4.753×10?Ω/□和9.337×10?Ω/□。此外，SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的水接觸角和乙二醇接觸角均隨老化時(shí)間的增加而增大。
2)SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌并未在光老化、高溫老化、高低溫老化過程中發(fā)生明顯變化，而鹽霧老化造成了薄膜的多區(qū)域、不均勻脫落。從老化后薄膜在光伏板靜電除塵中的應(yīng)用效果來看，方阻上升并未對除塵效果造成明顯影響，但薄膜脫落引起了除塵率的明顯下降，后續(xù)可針對提升薄膜與玻璃基底之間的粘附性進(jìn)行研究，從而提升SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在靜電除塵中的應(yīng)用效果。
3)SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜的品質(zhì)因數(shù)隨老化時(shí)間的變化情況具有明顯的時(shí)間序列特征，可采用傳統(tǒng)的ARIMA模型進(jìn)行SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜在不同場景下的品質(zhì)因數(shù)預(yù)測和應(yīng)用壽命預(yù)測。
4)本文制備得到的SWCNTs透明導(dǎo)電薄膜具有高阻、高透光率的特點(diǎn)，兼具優(yōu)異的耐高溫、耐高低溫疲勞、耐光老化特性，有望在顯示屏、傳感器、觸摸屏、發(fā)光二極管等器件中得到進(jìn)一步應(yīng)用。
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