太陽能電池表面主動清潔：通過數字微流體系統實現

1. 通過親水/疏水表面圖層的微結構加工來操控數字液滴在太陽能電板表面的移動軌跡，實現一種新型太陽能電板表面主動清潔系統。

2. 發明了一種利用派瑞林 (Parylene)來製作光刻模板進行加工表面微結構的工藝流程，能夠在輸水表面進行親水微結構製成，而不影響原來表面的疏水性能。

不影響原來

3. 親水/疏水表面圖層能夠控制液滴運動進行表面清潔的同時，可以起到防反射圖層的功效，不會影響太陽能電板的透光性能。通過清潔實驗，原來表面被汙染的太陽能電板效率提升了23%。

太陽能電板一般安裝於半乾旱或者乾旱地區。由於少雨同時塵土濃度高，落於太陽能電板表面的灰塵能夠降低太陽能電板的整體效率和可靠性。灰塵的主要化學組成為礦物質，二氧化矽，農業副產品以及燃油副產品。灰塵的直徑為30~160微米。由於灰塵的存在，太陽能電板的效率可以降低40%。所以，太陽能電板表面玻璃清潔的意義非常重要。然而，由於太陽能電板安裝位置和高度，一般不容易人工定期保養清潔，同時清潔也可能對表面玻璃造成破壞，從而影響太陽能電板壽命。

自清潔表面對於太陽能電板的維護非常重要。一般來說，自清潔表面模擬荷葉超疏水或者超親水結構，為一種被動結構。水滴落在面板上的時候，靠重力離開面板表面，同時清潔表面汙染物。水滴的運動軌跡無法被控制，僅受重力作用。自清潔表面無法全面的被清潔，同時需要大量的水資源確保表面汙染物被清潔乾淨。

華盛頓大學Karl F. Böhringer和Di Sun研究團隊探索了一種通過數字微流體系統進行太陽能表面主動清潔的系統。和被動系統不同的是，太陽能表面主動清潔系統能夠控制液滴進行定向移動，能夠覆蓋全部表面面積。液滴驅動由垂直的機械振動裝置以及表面微加工的各向異性棘輪傳送器（Anisotropic Ratchet Conveyors）組成。液滴能夠在表面蜿蜒行進從而清潔表面全部汙染物。本文中，我們討論了液滴移動的原理，計算了清潔力的大小，液滴傳送速度和頻率響應。我們採用兩種薄膜結構，能夠提供良好的光學透射性能。通過太陽能電板表面清潔實驗，和被汙染的太陽能電板相比，電板系統效率提升了23個百分點。

圖文展示1：各向異性棘輪傳送器（Anisotropic Ratchet Conveyors）加工流程。

(a) FOTS-TMS 材料組合加工流程 (b) Cytop-TMS材料組合加工流程 (c) 各向異性棘輪傳送器（Anisotropic Ratchet Conveyors）表面微結構製備的掃描電鏡圖。弧形結構的半徑為1000微米，寬度為10微米，周期間距為100微米。

圖1為各向異性棘輪傳送器（Anisotropic Ratchet Conveyors）的加工流程。我們使用在疏水表面進行加工弧形親水的微結構來進行液滴驅動。我們使用兩種薄膜材料組合，第一種為自組裝薄膜，第二種為非晶氟樹脂薄膜。其中，非晶氟樹脂薄膜加工過程為先旋塗輸水薄膜。進行光刻的時候，為了不破壞非晶氟樹脂的疏水性，我們採用派瑞林來製作光刻模板，通過等離子刻蝕，然後移除派瑞林模板的方法成功製備表面微型結構。圖1（c）為製成非晶氟樹脂薄膜微型結構的掃描電子顯微鏡照片。

圖文展示2：系統設計以及光學功能表徵。

（a）自清潔表面系統設計圖 (b) 各向異性棘輪傳送器俯視圖。設計參數包括弧形結構半徑(R)，中心間距(P)，親水區域寬度(w)以及整體寬度(W)。(c) 可見光透射率測試結果。使用基底為直徑10 cm的玻璃。(d) 太陽能板表面封裝玻璃塗覆相應薄膜後的I-V曲線測試結果。

各向異性棘輪傳送器 （ARC）由於在輸水水表面製作親水的弧形微結構，是表面為各項異性，能夠造成表面能液滴前表面和後表面的表面張力不同，從而使液滴在外界激勵的情況下進行單方向的運動。我們採取將整個系統放置在垂直震動的實驗臺上，通過施加正弦震動信號，使液滴在ARC的幫助下進行單方向的水平移動。製作ARC的材料為薄膜材料，我們在本文探索了兩種薄膜組合：自組裝薄膜以及非晶氟樹脂薄膜。兩種薄膜組合均表現出來良好的光學性能。其中非晶氟樹脂薄膜由於折射率介於玻璃和空氣之間，能夠起到防反射圖層的作用。通過I-V測試結構，非晶氟樹脂薄膜製作的ARC結構能夠提高太陽能電板整體輸出效率。

圖文展示3：自清潔表面系統頻率響應。

（a）液滴的頻率響應曲線 (10~100 Hz)。實驗採用液滴大小為5 µL,10 µL,以及15 µL，液滴直徑分別為2.24 mm, 2.87 mm, 以及 3.39 mm。(b) 液滴在高頻下能夠呈現不同模形態，同時也能夠進行單方向性運動。(c) 各個頻率下面所需要驅動液滴的最小震動加速度要求。(d) 進行面板清潔的最小功率要求。整體系統測試重量為200g。震動系統的彈簧常數為12 N/mm。

在外界垂直震動的驅動下，液滴的形變程度與振動頻率有關。在低頻（10~100Hz）情況下，液滴的共振頻率與液滴體積相關。在共振頻率下，所需的外界輸入能量為最小。所以需要根據驅動液滴的體積來選擇驅動頻率。同時，液滴在高頻下呈現出高頻的模，同時也能進行單方向移動。我們通過阻尼諧波振蕩器模型結合驅動液滴的最小震動頻率所需加速度的測試結果可以估算系統所需的最小功率。

圖文展示4：在矽襯底上的表現。

（a）基於自組裝薄膜系統的ARC清潔軌道設計。液滴能夠按照回形ARC的軌道進行移動和轉彎。由於自主裝薄膜是由一層分子鏈組成，所以為了視覺效果，光刻膠並未取出。光刻膠可以通過丙酮去除。(b) 轉角處ARCq清潔軌道的設計。(c) 表面清潔的示意圖。白色部分為可溶於水的增甜劑。液滴能夠按照ARC軌道進行移動從而清潔表面的增甜劑。

設計了一組由ARC軌道組成的回形設計。液滴可以按照軌道在表面蜿蜒行進，從而清潔表面全部的汙染物。液滴體積大小為10微升，ARC軌道的整體面積為5.76平方釐米。由圖可知，在第0秒處第一個液滴添加到表面，第12秒處第二個液滴添加到另一組液滴軌道處。所有的表面汙染物被液滴清除。由於溶解了表面的汙染物，液滴的移動速度有了減慢。

圖文展示5：多晶矽太陽能電板相對輸出功率隨時間變化的實時監控圖形。

多晶矽太陽能電板相對輸出功率隨時間變化的實時監控圖形。太陽能電板連接了電阻負載進行輸出功率監控。液滴體積為13.5微升，振動頻率為50 Hz.液滴的蜿蜒運動軌跡在如圖所示。

為了驗證自清潔系統的有效性，我們採用表面裝有自清潔軌道設計的多晶矽太陽能電板系統進行模擬實驗。首先，表面汙染物施加於太陽能電板上方，太陽能的相對輸出功率降低為原來的~69%。當我們使用液滴進行清潔的時候，太陽能電板的輸出功率逐漸上升到原來的~92%，證明自清潔系統能夠提升太陽能電板的輸出功率23%。我們同時進行了功耗計算。太陽能電板由於清潔所提升的能量收集高於清潔電板所消耗的能量，證明自清潔裝置擁有提升太陽能整體表面的實際意義。