Self-Cleaning and Anti-Reflective Microtextured Fluoropolymer Cover Films for Photovoltaics

Solar-Photovoltaik (PV) wird zunehmend zu einer alternativen Quelle der erneuerbaren Energieerzeugung. Dennoch gibt es potenzielle Probleme, die die Leistung der Stromerzeugung beeinträchtigen könnten. Ein Problem, das die Leistung einer PV-Anlage erheblich beeinträchtigt, ist die PV-Verschmutzung. Der Ph.D. Die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung einer Frontabdeckung für PV-Module als Lösung zur Eindämmung des Problems der PV-Verschmutzung unter Ausnutzung von Regenfällen. Zunächst wurde eine zufällige mikrotexturierte Frontabdeckung unter Verwendung eines geeigneten Fluorpolymermaterials – fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) – entwickelt, um der Oberseite des PV-Moduls superhydrophobe Eigenschaften zu verleihen. ... mehrDiese einfache zufällige Mikrotexturierung führte zu einer superhydrophoben Oberfläche (Kontaktwinkel von 156±1° und einem Abrollwinkel von 8±3°) und einem um 1.3% verbesserten JSC im Vergleich zu einem Referenz-PV-Minimodul. Die Selbstreinigungsleistung der zufällig mikrotexturierten FEP-Frontabdeckung zeigte eine Rückgewinnung von 93.6% in Bezug auf JSC. Die Frontabdeckung des PV-Moduls wurde durch die Einführung periodischer kegelförmiger Mikrotexturen auf den FEP-Frontabdeckungsfolien weiter verbessert und konnte eine deutliche Verbesserung sowohl der Selbstreinigungs- als auch der Antireflexionseigenschaften nachweisen. Das endgültige kegelförmige Design mit einem Seitenverhältnis von 0.7 behielt erfolgreich die superhydrophoben Eigenschaften bei (Kontaktwinkel = 161±3° und Roll-Off-Winkel = 6±4°) und verbesserte die Lichteinkopplung weiter. Es reduzierte das Reflexionsvermögen an der Vorderseite erheblich und erzielte eine erhebliche relative Verbesserung von 3.1% im JSC. Auch die Selbstreinigungsleistung wurde verbessert, wobei bei Verschmutzung mit Seesand und Teststaub aus Arizona eine Rückgewinnungsrate von 100% bzw. 65.8% erreicht wurde. Weitere Untersuchungen wurden durchgeführt, um festzustellen, ob der Wind als treibende Kraft für den Selbstreinigungsmechanismus genutzt werden könnte, wenn es nicht regnete. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass Wind tatsächlich zur Staubentfernung genutzt werden kann, dafür aber relativ hohe Windgeschwindigkeiten erforderlich wären. Darüber hinaus wurde durch die Einführung von Mikrotexturen der Windbedarf im Vergleich zu einer ebenen Oberfläche erhöht. Damit diese Option der Nutzung von Wind zur Staubentfernung eine praktische Lösung darstellt, stellen die präsentierten Ergebnisse einen guten Ausgangspunkt für weitere Forschungsarbeiten dar. Die Forschungsarbeit präsentiert die erfolgreiche Entwicklung einer multifunktionalen (selbstreinigenden und entspiegelnden) superhydrophoben mikrotexturierten PV-Modul-Frontabdeckung, die das Problem der PV-Verschmutzung angeht und die Photostromerzeugung verbessert.

Solar photovoltaic (PV) is increasingly becoming an alternative source of renewable energy generation. Nevertheless, there exist potential issues that could hinder its power generation performance. One issue that significantly reduces a PV system’s performance is soiling where dust contaminants on the surface prevent light from entering the PV module and thus reduce power generation by up to 78%. This study focuses on the development of a PV module front cover as a mitigation solution to the issue of PV soiling, utilizing rainfall. A random microtextured front cover was first developed using a suitable fluoropolymer material – fluorinated ethylene propylene (FEP) – to introduce superhydrophobic properties to the PV module top surface. ... mehrThis simple random microtexturing resulted in a superhydrophobic surface (contact angle of 156±1° and a roll-off angle of 8±3°) and an improved JSC by 1.3% compared to a reference PV mini-module. The self-cleaning performance of the random microtextured FEP front cover demonstrated a 93.6% recovery in terms of JSC. The PV module front cover was further improved by introducing periodic cone-shaped microtextures onto the FEP front cover films and managed to demonstrate significant enhancement in both self-cleaning and anti-reflective properties. The final cone-shaped design, having an aspect ratio of 0.7, successfully retained the superhydrophobic properties (contact angle = 161±3° and roll-off angle = 6±4°) and further improved the light in-coupling. It significantly reduced the front reflectance and achieved a significant 3.1% relative improvement in JSC. The self-cleaning performance was also enhanced where a recovery ratio of 100% and 65.8% were achieved when soiled with sea sand and Arizona test dust, respectively. Further investigations were conducted to determine whether wind could be utilized as a driving force for the self-cleaning mechanism in the case where rainfall was absent. It was successfully shown that wind can be utilized for dust removal but would require relatively high wind speeds. Moreover, the introduction of microtextures made the wind requirement higher compared to a planar surface. For this option of utilizing wind for dust removal to be a practical solution, the result presented becomes a good starting point for further research to be conducted. In any case, this research work presents the successful development of a multifunctional (self-cleaning and anti-reflective) superhydrophobic microtextured PV module front cover that addresses the issue of PV soiling and enhances photocurrent generation.