隨著化石燃料向可持續綠色清潔能源的過渡，光伏技術已成為利用清潔可再生能源的關鍵途徑。由于具有效率高、運行成本低、壽命長等優勢，光伏系統受到廣泛關注。然而，在熱帶地區，因工作溫度高和太陽輻射強，光伏系統的效率和耐久性常常受到影響，因此尋找便捷、高效的光伏電池降溫技術顯得尤為重要。本研究提出了一種聚丙烯酸鈉-氯化鋰（PAAS-LiCl）復合材料，并介紹了其流水線制造工藝。該材料作為一種廉價的蒸發冷卻層附著在光伏板背面，利用干燥劑的吸濕特性，在夜間吸收水分，白天通過蒸發實現冷卻。實驗證明，在實驗室條件下，厚度為10 mm的水凝膠層可實現373 W/m2的蒸發冷卻功率。在38°C的環境溫度下，該冷卻層可將峰值溫度降低 14.1°C，從而使光伏板的最大輸出功率提升 12.9%。這種冷卻策略有望將光伏電池板的使用壽命延長200%以上，并將電力成本降低18%。該被動冷卻策略、耐用的水凝膠材料及其可擴展的制造工藝相結合，有望為太陽能發電場的大規模部署提供了一種可行的解決方案。相關工作以Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels為題發表在Mater. Sci. Eng. R-Rep.期刊。

本研究提出一種基于吸附 - 蒸發機制的被動冷卻策略，通過將 PAAS-LiCl 復合水凝膠貼附于太陽能電池背面，有效實現晝夜循環冷卻功能（圖 1 ）。構建了一種無交聯劑、常溫成型的簡化制備工藝，所制復合材料在高濕條件下展現出優異的吸濕能力、結構穩定性與環境適應性（圖 2 ）。室內模擬實驗驗證其蒸發冷卻效能，在 1 kW/m2 太陽輻照下實現峰值 247 W/m2 冷卻功率與 11.8°C 溫降（圖 3 ）。戶外 21 天實證測試顯示，該冷卻層在 37°C 、 53% 相對濕度環境下實現 14.1°C 最大降溫和 12.9% 光電轉化效率提升，具備持續吸濕 - 蒸發循環能力（圖 4 ）。經濟與穩定性分析進一步表明，該水凝膠材料成本低廉、支持可回收再利用，在經歷一年老化及暴雨沖刷后仍維持超過 90% 性能，滿足戶外長期部署需求（圖 5 ）。

圖1：用于光伏組件冷卻的大氣水吸附-蒸發冷卻材料概述。(a)晝夜循環工作原理示意圖；(b)所用復合材料結構圖示：以氯化鋰（LiCl）為吸濕劑，聚丙烯酸鈉（PAAS）交聯網絡用于固定LiCl和水分；(c) PAAS-LiCl復合材料的簡化制備流程圖。

圖2：PAAS-LiCl復合材料的性能表征。(a) PAAS-LiCl復合材料吸濕前后的狀態對比；(b)復合材料所用組分的XRD分析；(c)材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(d) PAAS、PAAS-LiCl和LiCl顆粒的吸水量對比；(e)不同厚度PAAS-LiCl復合材料的吸水量及相應集水量（其中“w\.u.”表示吸水量，“w\.c.”表示質量變化）；(f)在25?°C下不同相對濕度條件下，PAAS-LiCl復合材料吸濕12小時的表現；(g)預干燥復合材料的72小時吸濕測試；(h)風速與相對濕度對PAAS-LiCl復合材料在30?°C下吸水性能的影響；(i)在不同相對濕度條件下處理12小時后復合材料的導熱率。

圖3：室內實驗中PAAS-LiCl水凝膠的蒸發與降溫性能表現。(a)實驗裝置實拍圖，左圖為未使用水凝膠（w/o hydrogel）的光伏組件，右圖為加覆水凝膠（w/ hydrogel）的同款組件；(b)室內測試中實際太陽輻照強度（折線）與施加光強（陰影柱圖）；(c)未覆蓋（左）與覆蓋PAAS-LiCl水凝膠（右）的光伏組件紅外熱像圖；(d)覆蓋水凝膠（藍色）與未覆蓋（橙色）的光伏組件在模擬光照下的溫度變化曲線；(e)降溫層在測試過程中的質量損失速率與質量變化（按小時記錄）；(f)太陽照射下帶水凝膠層的太陽能電池熱分析示意圖；(g)模擬得到的太陽能電池表面溫度分布圖：左為未覆蓋水凝膠，右為覆蓋水凝膠；(h)覆蓋水凝膠（藍色）與未覆蓋（橙色）光伏組件的最大功率輸出點對比。

圖4：2025年7月12日至7月19日間PAAS-LiCl水凝膠在戶外連續降溫循環實驗結果。(a)戶外實驗裝置實拍圖，左側為未覆蓋水凝膠的光伏組件（w/o hydrogel），右側為覆蓋水凝膠的光伏組件（w/ hydrogel）；(b)一周內光伏組件溫度變化曲線；(c)一周內水凝膠質量變化情況；(d)實驗期間的環境相對濕度（RH）與風速變化；(e) 7月16日全天三組溫度對比：未覆蓋組件（紅色）、覆蓋水凝膠組件（藍色）與環境溫度（綠色）；(f) 7月16日PV分析儀測得的最大功率輸出（Pmax），藍色為覆蓋水凝膠組件，紅色為對照組；(g)覆蓋（藍色）與未覆蓋（紅色）水凝膠組件的功率轉換效率（陰影區域）與填充因子Fill Factor（折線）對比。

圖5：經濟可行性與性能分析。(a)覆蓋/未覆蓋冷卻層的光伏組件質量與成本對比（左：未覆蓋，右：覆蓋）；(b)覆蓋/未覆蓋冷卻層的使用壽命（TTF）與單位電能成本（LOCE）對比；(c)本研究與其他文獻中不同冷卻技術的降溫效果與最大輸出功率提升對比總結；(d)蒸發速率測量實驗示意圖；(e)本研究與文獻的蒸發速率對比；(f)不同質量濃度下氯化鋰（LiCl）的蒸汽壓變化；(g)美國紐約州布法羅市戶外降雨測試中覆蓋冷卻層的光伏組件實拍圖；(h)覆蓋冷卻層的光伏組件外觀變化圖（自上而下）：測試前（第0天）、兩周雨淋測試后、以及一年后（1個月戶外暴露+11個月室內存放）；(i)上圖：室溫（25°C）水浸穩定性測試，展示PAAS-LiCl復合材料浸入水中即刻與72小時后外觀；下圖：PAAS-LiCl復合材料的可回收與重塑過程：(I)材料放入水中；(II)放入烘箱加熱80°C，持續12小時；(III)熔化物倒入模具中；(IV)模具再次80°C烘烤12小時；(V)成型為新結構樣品。

小結：這項研究介紹了一種高效的方法來制造PAAS-LiCl復合材料，該材料在夜間吸附大氣中的水分，在白天通過蒸發實現對光伏電池的被動冷卻，同時具有較低的維護成本。這種水凝膠復合材料采用更為經濟的合成方法，增強了其廣泛應用的可行性。其固態結構可直接黏附在光伏板背面，無需額外使用膠水粘接，并能可靠承受因夜間吸水和雨淋所導致的重量變化，具備良好的耐用性，從而大大減少維護需求。特別地，由于LiCl的平衡作用，儲存在水凝膠中的水分在白天逐漸釋放，避免了為獲得更好冷卻效果而頻繁更換水凝膠膜的復雜操作。該水凝膠集成于光伏電池板中，通過蒸發冷卻過程在白天可顯著降低溫度，最高降幅達 14.1°C，同時將功率轉換效率從13.1%提高至14.7%。它還能在一夜之間有效重新吸收水分，表現出適應各種氣候條件的彈性再生循環能力。這種冷卻策略有望將光伏電池板的使用壽命延長200%以上，并將電力平準化成本降低18%。其靈活性使其可集成于多種設計中，適用于太陽能發電場及易發熱的應用場景，最終提高發電量并延長光伏板的使用壽命。

論文信息：Fang H., Dang S., Kumar P., et al. Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 2025, 165: 101016. https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101016.

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