北京理工大学材料学院贺志远教授团队和前沿交叉学院朱城老师合作，近日在透明防结冰薄膜提高光伏在极端寒冷气候下防结冰性能的相关研究中取得进展。相关研究成果以“Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates ”为题在《Advanced Materials》上发表。

研究意义与关键问题

在寒冷气候地区，冰雪覆盖导致的光遮挡已成为制约光伏系统稳定发电的主要障碍之一，严重时可导致超50%的发电损失。尽管市场上已出现多种加热除冰方案，但这些方案难以满足大面积户外光伏系统长期稳定运行的需求。理想的光热防冰解决方案应具备三大特性：高光透过性（保障电池正常工作）、高光热效率（实现快速除冰）、可规模化制备与长期稳定性。但现有光热薄膜在“透光发电”和“光热除冰”之间往往难以兼顾，需要对光学设计进行调整，以在设备和光热薄膜之间实现最佳的阳光吸收平衡。

本文要点

要点一：本研究基于并网商用的光伏组件的户外运行数据，揭示了寒冷气候下冰雪遮挡对光伏系统发电性能的严重影响，其发电量损失可达约58%。针对冰雪遮挡问题，提出了一种创新的透明光热除冰薄膜设计策略。

图一 极寒环境下太阳能电池的故障问题及应对措施

要点二：通过在光热薄膜上引入具有周期干涉效应的莫尔结构,在不降低可见光透过率的前提下，实现了高达93.0%的可见光透过率和约65.8%的近红外吸收率。我们采用了基于卷对卷工艺的纳米压印技术，以实现透明光热薄膜的规模 化制造。此外，该薄膜具备出色的季节性管理，背胶的设计使得moiré-TP 薄膜可 以在夏季轻松揭下防止热量过分积累。可扩展的制造方式与持久的粘合性相结合， 使其在各种实际应用中更具实用性。

图二 透明光热薄膜的光学设计与可扩展制造技术

要点三：我们进一步研究了透明莫尔干涉薄膜的光热性能，以评估其除冰能力及 工作温度范围。薄膜透明度与光热转换之间的内在权衡，即增强防冰性能会自然 降低透明度，反之亦然。通过光强-温度相图和透过率-温度相图预测了其在不同 环境条件下的运行范围并展示了在变化环境下除冰能力

图三 透明光热膜防冰效果展示

要点四：研究证实，该米级柔性光热薄膜可在 −20 °C 的户外环境下保持光伏组件表面无冰覆盖。应用于钙钛矿太阳能电池的日夜循环测试进一步验证了其稳定的除冰性能和出色的能量恢复能力，冬季单日发电量提升近7.5倍。此外，该薄膜在弱光环境下亦展现出良好的光热响应和长期稳定性，展现出广泛的实际应用潜力。

图四 透明光热膜应用于钙钛矿电池上的性能

结论展望

我们揭示了在寒冷气候条件下，光伏系统由于冰雪的遮挡作用会出现严重的电力输出损失（约占总电量的 58%）。为了避免牺牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可见光透射率的同时，利用其moiré结构增强了近红外光的吸收（约 65%），从而有助于高效光热转换和防冰功能。就钙钛矿电池的防冰性能而言，它证实了可靠的防冰功能，能够保持最大功率点运行 8 小时，并在七次循环中保持持续的冰融化效果。这种薄膜有效地保护了钙钛矿器件免受冰雪造成的遮挡影响，使得冬季的每日电力输出几乎增加了7.5倍。米级规模的制造过程证实了其在商业化方面的可行性，而我们的模拟结果也表明其在全球各地区用于防冰应用方面具有实用性。

文章链接

T. Hao, P. Zhang, C. Chi, Y. Wang, W. Zhang, X. Chen, D. Wang, X. Chen, J. Ye, W. Chen, F. Kang, Y. Bai, Q. Chen, C. Zhu, Z. He, Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates. Adv. Mater. 2025, 2507034. https://doi.org/10.1002/adma.202507034