目前，全世界每年生產(chǎn)的85%以上的光伏組件為晶體硅光伏組件，晶體硅光伏組件之所以能夠占據(jù)絕大部分的市場份額是由該種光伏組件的長壽命、來源豐富以及無毒等特點(diǎn)所決定的。
硅基太陽能電池的電池效率一般在15%~23%，2022年11月，隆基綠能自主研發(fā)的硅異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)26.81%。距離Shockley-Queisser單節(jié)太陽能電池的理論極限效率31%還有一定距離。
這是因為目前晶體硅太陽能電池主要吸收400~1100nm左右的光，對400nm以下的光(即紫光和紫外光)的量子效率很低。
同時，單晶硅對長波長的響應(yīng)較好。在600nm波長的光照下，電池的短路電流相比于使用400nm波長照射可提高3~4倍。
因此，通過合理手段充分利用400nm以下的太陽光能，將其轉(zhuǎn)換為400nm以上的長波光可以有效提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
此外，將下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料加入到太陽能封裝膠膜中，還可以降低封裝膠膜在室外環(huán)境下的老化速度，提高太陽能電池組件的壽命。
從上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)已有科研院所開始研發(fā)EVA封裝材料，經(jīng)由多年發(fā)展，目前國內(nèi)生產(chǎn)的EVA封裝膠膜的性能已能達(dá)到較高水平，解決了常年依賴進(jìn)口的局面。
從2007年起，我國光伏組件產(chǎn)量已居世界前列，降低制造成本是太陽能電池擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模的關(guān)鍵，而提高光電轉(zhuǎn)換效率是降低成本的有效途徑，據(jù)了解，轉(zhuǎn)換效率提高1%，成本會降低7%。
光轉(zhuǎn)換EVA膠膜發(fā)光性能測試
EVA材料是一種常見的太陽能電池封裝材料，其具有結(jié)晶度低、柔韌性和極性較高的特點(diǎn)。
因此，將有機(jī)稀土發(fā)光材料和EVA膠膜結(jié)合，在保證了封裝材料原有的使用性能的情況下，額外提供了光轉(zhuǎn)換功能，在起到對太陽能電池的保護(hù)作用的同時，有望進(jìn)一步提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
首先，對轉(zhuǎn)光材料與制備的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的發(fā)光性能進(jìn)行了研究。
圖1 光轉(zhuǎn)換材料R-1及R-1/EVA光轉(zhuǎn)換膠膜的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜
圖1a為光轉(zhuǎn)換材料R-1與光轉(zhuǎn)換EVA膠膜(R-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%)的熒光激發(fā)光譜，可以發(fā)現(xiàn)R-1材料和添加了R-1的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜在紫外光(300~400nm)波段都能夠很好地被激發(fā)。
圖1b是R-1與光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的熒光發(fā)射光譜，可以發(fā)現(xiàn)兩者熒光發(fā)射光譜基本一致，兩者的最大發(fā)射波長均為615nm。
圖2 含有不同添加量R-1的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的相對熒光強(qiáng)度
圖2為不同R-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的光轉(zhuǎn)換EVA膜在相同激發(fā)光條件情況下在615nm波長處熒光強(qiáng)度的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)出遞增的趨勢。
圖3?光轉(zhuǎn)換EVA膠膜365nm紫外燈下的數(shù)碼照片2.2光轉(zhuǎn)換EVA膠膜透光率測試
圖3為光轉(zhuǎn)換EVA膠膜(R-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%)在365nm波長紫外光照射下的照片，可以看出光轉(zhuǎn)換EVA膠膜有非常好的透明性，并且在365nm紫外光照射下發(fā)出強(qiáng)烈的紅光。
同時，可以看到轉(zhuǎn)光劑添加量大于0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，膠膜可以觀察到比較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，因此轉(zhuǎn)光劑的添加量不宜大于0.2%。
太陽能發(fā)電利用光伏材料將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，這意味著光伏材料需要最大范圍地吸收太陽輻射。
因此，粘附在外層玻璃上充當(dāng)光伏材料保護(hù)層的EVA膠膜對透光率有極高的要求。
同時，EVA膠膜的老化受紫外光影響是最大的，在加工過程中EVA結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化，進(jìn)而產(chǎn)生新的UV生色團(tuán)，導(dǎo)致EVA膠膜顏色發(fā)生變化，降低EVA膠膜的透光率。
目前主要的解決方法是在共混的過程中加入紫外光吸收劑來降低紫外光對EVA膠膜的影響，但這也會造成一定程度上的能量浪費(fèi)。
圖4?純EVA膠膜和含有不同濃度R-1的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的透過率曲線
圖4是各種配方制成膠膜后在可見光區(qū)和紫外區(qū)透光率的對比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)加入轉(zhuǎn)光劑后EVA膠膜在可見光區(qū)透光率會有略微下降，但仍能達(dá)到≥91%的標(biāo)準(zhǔn)。
同時，加入轉(zhuǎn)光劑后EVA膠膜在紫外光區(qū)的透光率有顯著地降低，即添加后EVA膠膜有明顯的紫外區(qū)的吸收，且隨著轉(zhuǎn)光劑添加量的提高，EVA膠膜在紫外光區(qū)的吸收也會隨之提高。
紫外光經(jīng)轉(zhuǎn)光劑轉(zhuǎn)換成可以被光伏材料響應(yīng)的可見光，從而降低了紫外光對太陽能電池組件的影響，提高了太陽能電池的效率。
光轉(zhuǎn)換EVA膠膜太陽能電池外量子效率測試
為了分析加入有機(jī)稀土光轉(zhuǎn)換材料的硅基太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的變化，進(jìn)行了太陽能電池的外量子效率(EQE)測試，測試方法如圖5所示。
圖5?貼覆了光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的太陽能電池組件
EQE的定義是每個波長下太陽能電池攜帶的電子與太陽能電池表面的光子的數(shù)目比。
僅使用純EVA膠膜以及使用了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的R-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜(從0.1%到0.4%)的太陽能電池組件的EQE曲線如圖6所示。
圖6?貼覆純EVA膠膜以及光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的太陽能電池組件量子效率曲線
表1 光轉(zhuǎn)換EVA膜的I-V測試數(shù)據(jù)
從圖表中可以看出，在300~400nm波段的紫外光區(qū)，使用了光轉(zhuǎn)換EVA膠膜后，貼覆了光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的電池組件量子效率有約5%的提升。
同時，太陽能電池在紫外波段的相應(yīng)強(qiáng)度隨著R-1的添加量提高而增大，但增速在添加量超過0.2%后明顯放緩。這事因為添加量超過0.2%后，R-1在EVA膠膜中有較明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而導(dǎo)致光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的量子效率較理想值有所降低。
同時，在可見光區(qū)，是否添加轉(zhuǎn)光劑R-1對太陽能電池的量子效率并無明顯影響。這是因為光轉(zhuǎn)換EVA膠膜在可見光區(qū)有著優(yōu)異的透光率，R-1材料的加入并沒有影響電池對可見光的吸收。
使用不同添加量的光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的太陽能電池的開路電壓(Voc)、短路電流密度(JSC)、填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的測試數(shù)據(jù)如表1所示。
可以看到，對于覆蓋了光轉(zhuǎn)換EVA膜的太陽能電池組件其PCE呈現(xiàn)出先逐漸增大后又減小的趨勢，在添加R-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，太陽能電池的PCE達(dá)到最大值13.94%，相對于使用純EVA膠膜時提升幅度達(dá)到1.08%。
R-1添加量繼續(xù)提升而PCE下降的可能原因是當(dāng)R-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%提升到0.4%后，R-1的濃度過高產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而影響了透光率最終導(dǎo)致了光電轉(zhuǎn)換效率的下降。
綜上所述，光轉(zhuǎn)換EVA膠膜能在一定程度上提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
由于太陽能需要長期在戶外使用，因此光轉(zhuǎn)化材料的耐紫外老化性能也是其是否能夠推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
將R-1光轉(zhuǎn)換EVA膠膜(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%)放在UVA340紫外燈管轄進(jìn)行耐紫外線老化測試，該燈管的波長主要分布在300~400nm之間，且在340nm處未最高發(fā)射波長，燈管的輻射強(qiáng)度為10W/m2。
每間隔4小時使用熒光光譜儀測試光轉(zhuǎn)換EVA膠膜在615nm處發(fā)射峰強(qiáng)度隨輻照時間的變化情況，如圖7所示。
圖7 R-1/EVA膠膜(R-1添加量為0.2%)在紫外光加速老化過程中相對熒光強(qiáng)度隨時間的變化
從圖中可以看出，光轉(zhuǎn)換EVA膠膜有較優(yōu)秀的光穩(wěn)定性，在紫外線輻照時間達(dá)到100h的條件下，光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的熒光發(fā)射強(qiáng)度仍在50%以上，光轉(zhuǎn)換EVA膠膜的發(fā)射光譜與加速老化試驗前沒有明顯變化。
因此，對于需要長期在戶外應(yīng)用的太陽能電池而言，使用這種有機(jī)稀土發(fā)光材料作為轉(zhuǎn)光劑具有一定的開發(fā)前景。
將有機(jī)稀土發(fā)光材料R-1引入EVA基材中后，R-1的發(fā)光性能并不會有顯著變化，在紫外光區(qū)仍有比較強(qiáng)的吸收。
添加轉(zhuǎn)光劑后，EVA膠膜在可見光區(qū)的透光率并沒有明顯變化，仍然能夠滿足太陽能電池封裝膠膜的要求。
同時，光轉(zhuǎn)換EVA膠膜在紫外光區(qū)的透光率大幅降低，足以起到與紫外吸收劑相似的作用，能夠?qū)μ柲茈姵亟M件起到保護(hù)作用。
同時該波長的紫外光可激發(fā)轉(zhuǎn)光劑發(fā)出太陽能電池響應(yīng)能力更強(qiáng)的紅光(波長615nm)，從而提高了對太陽光能的利用率，提高了了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
添加轉(zhuǎn)光劑后，覆蓋有光轉(zhuǎn)換EVA膜的太陽能電池的PCE可從覆蓋純EVA膜的太陽能電池的13.81%最高提升至13.94%，能夠?qū)崿F(xiàn)提升太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。
該光轉(zhuǎn)換EVA膜在耐紫外線加速老化中也表現(xiàn)出了較好的光穩(wěn)定性，具有應(yīng)用于高效率長壽命太陽能電池組件的潛力。
來源：一種新型光轉(zhuǎn)換太陽能電池封裝膠膜的制備和性能評價
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：一種新型光轉(zhuǎn)換太陽能電池封裝膠膜
