隨著全球能源轉型加速，光伏技術因其可再生、低碳和高效的特點，正逐步成為實現清潔能源目標的重要路徑。然而，太陽能電池在實際應用中溫度會升高，使得效率降低，因此，開發高效、低成本的光伏降溫技術成為提升其發電效率與系統壽命的關鍵。蒸發冷卻因其無需額外能源輸入、可顯著降低表面溫度而備受關注，但現有技術常面臨吸濕能力不足、水管理效率低及環境適應性差等問題。受地毯鯊“吸水膨脹–釋水收縮”行為啟發，本研究提出一種仿生熱響應型水凝膠涂層，基于天然多糖羥丙基纖維素（HPC）與海藻酸鈉（SA），復合吸濕鹽CaCl?制成，具備良好的溫敏可逆親疏水調節能力。該材料可在夜間自發吸濕，白天隨溫度升高自動加快水釋放，實現全天候、無需能量輸入的自適應水管理與被動蒸發冷卻，展現出顯著的溫控性能和應用潛力。相關工作以Biomimetic thermo-responsive hydrogel coating for passive photovoltaic cooling via self-adaptive water management為題發表在Small期刊。

本研究提出了一種仿生熱響應型水凝膠涂層，用于實現五能量輸入的自適應蒸發冷卻。其結構與自適應水管理機制如圖1所示：材料以羥丙基纖維素（HPC）為骨架，復合海藻酸鈉（SA）與吸濕鹽CaCl?，模擬鯊魚皮膚的“吸濕-釋水”行為，在溫度變化下實現親疏水界面可逆切換，從而驅動水分自循環。圖2展示了該水凝膠在不同溫度下的界面響應特性及微觀結構變化。隨著溫度升高，凝膠表面從親水轉為疏水，有助于加快表面水分釋放，并通過孔隙結構促進蒸發傳質。圖3評估了該涂層在實際光伏冷卻場景中的降溫能力與蒸發性能。在強輻照（約850 W/m2）條件下，熱響應凝膠使電池溫度降低最高可達17.6°C，蒸發冷卻通量達到407 W/m2，顯著優于對比水凝膠與未冷卻電池。此外，如圖4所示，該涂層具備優異的穩定性與環境適應性，在高濕與循環工況下仍保持穩定冷卻性能，具備良好的實際應用潛力。該仿生設計為可持續的光伏溫控提供了低能耗、高效能的新思路。

圖1：工作原理示意圖。(a)網紋地毯鯊在不同情境下的體型變化；(b)水凝膠冷卻涂層的仿生材料設計，用于增強蒸發冷卻性能。

圖2：樣品表征。(a)水凝膠冷卻涂層的外觀圖；(b)水凝膠涂層在光伏面板上的附著力測試；(c)水凝膠涂層的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(d)對(c3)區域的元素分布圖，聚焦于N、C、Ca和Na元素；(e)不同海藻酸鈉（SA）濃度與溫度條件下水凝膠的吸水能力（WAC）；(f)不同SA含量下水凝膠的半徑變化及其膨脹/收縮態的半徑比；(g)水凝膠及其組分的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；(h)不同溫度下水凝膠的拉曼光譜；(i)本研究與文獻中水凝膠吸水性能的對比。

圖3：實驗室測試下的蒸發冷卻性能。(a)純光伏組件與涂層光伏組件的溫度變化曲線，以及冷卻溫度隨光照時間的變化；(b)純光伏組件在光照初始與60分鐘后的I–V和P–V特性曲線；(c)純光伏與涂層光伏組件在不同光照時間下的開路電壓（Voc）與最大功率輸出（Pmax）；(d)在一個太陽光照強度下，不同厚度與相對濕度條件下涂層光伏組件表面溫度隨光照時間變化的等高線圖；(e)不同厚度、相對濕度和太陽輻照條件下，1小時后的最大冷卻溫度與蒸發水量；(f)不同厚度、相對濕度和太陽輻照條件下的冷卻功率；(g)文獻中蒸發冷卻性能的對比，重點為冷卻功率與冷卻溫度。

圖4：戶外測試下的蒸發冷卻性能。(a)涂覆水凝膠的“HNU”圖案樹脂模具及其對應的紅外熱像圖；(b)蒸發冷卻性能評估系統的實地照片；(c) 2024年9月21日長沙地區純組件與涂層組件的實時太陽輻照強度、表面溫度及功率輸出；(d)水凝膠涂層的蒸發冷卻性能七天循環測試結果；(e)水凝膠涂層在初制、連續工作7天后與再生狀態下的壓縮應力–應變曲線。

小結：本研究提出了一種仿生熱響應型水凝膠涂層，可實現無需外部能耗的光伏被動冷卻。該涂層由羥丙基纖維素（HPC）、海藻酸鈉（SA）與氯化鈣（CaCl?）復合構成，具備熱致親疏水轉變特性，可在夜間吸濕儲水、白天隨溫度升高加快水分釋放，從而驅動全天候蒸發冷卻循環。利用 CaCl2強大的吸濕特性，使得該涂層在相對濕度為 70% 時的吸水率達到了 216.4%，在 1000 W/m2的條件下達到了 379.49 W/m2的峰值制冷功率。該水凝膠結構柔軟輕薄，可直接涂覆于光伏組件表面，無需額外黏結材料，且在吸濕與雨淋條件下仍具有良好穩定性，顯著降低維護成本。這種方法使光伏板表面的溫度顯著降低了 19.2 °C。此外，材料可在夜間自動恢復吸濕能力，具備出色的再生循環性，適應多種氣候環境。該策略為提升高溫地區光伏系統的效率與可靠性提供了全新材料方案，兼具成本可控、制備簡便和應用靈活等優勢，具有良好的大規模推廣前景。

論文信息：Liu Y., Xu W., Zhou X., et al. Biomimetic thermo-responsive hydrogel coating for passive photovoltaic cooling via self-adaptive water management. Small, 2025; 2502386. https://doi.org/10.1002/smll.202502386.

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