一种新型光转换太阳能电池封装胶膜的制备和性能评价_李岱远.pdf
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1、2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 55 一种新型光转换太阳能电池封装胶膜的一种新型光转换太阳能电池封装胶膜的 制备和性能评价制备和性能评价 李岱远1,路芳1,2*,史华红2,李伟浩1(1广东省科学院化工研究所,广东省工业表面活性剂重点实验室,广东 广州 510665;2佛山华铕光电材料股份有限公司,广东 佛山 528000)摘 要有机光转换材料可以将太阳能电池不能吸收的紫外光区的波段的光转换为太阳能电池响应能力更强的可将光,从而提高了太阳能电池的光谱响应范围,进而提升了太阳能电池的光电转换效率。但这类材料普遍存在光稳定性差的问题,制约了其推广应用。本研究
2、选择了一种有机稀土发光材料,与乙烯-醋酸乙烯(EVA)共聚物树脂混合,制备了具有光转换功能的 EVA 胶膜,可将紫外光转化为太阳能电池响应效果更好的红光,同时兼具优异的发光性能和透明性,为提高太阳能电池性能提供了一个解决方案。经实验表明,R-1 的加入不会对 EVA 胶膜的性能产生明显影响,同时可将太阳能电池的光电转换效率(PCE)从 13.79%提升至 13.94%,提升幅度可达到 1.08%。而紫外老化加速测试结果表明,光转换 EVA 膜在加速老化 100 h 以后,荧光强度仍能保持初始荧光强度的 50%以上。因此,该材料具有提升太阳能电池光电转换效率的功能,同时还具有优秀的耐紫外老化性能
3、,有望应用于高效太阳能电池组件。关键词乙烯-醋酸乙烯共聚物;有机稀土配合物;太阳能电池;高效;稳定性 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0055-03 Construction and Characterization of a New Photoconversion Solar Cells Packaging Film Li Daiyuan1,Lu Fang1,2*,Shi Huahong2,Li Weihao1(1.Institute of Chemical Engineering,Guangdong Academy of Sciences,Guan
4、gdong Key Laboratory of Industrial Surfactant,Guangzhou 510665;2.Foshan Huayoo Photoelectric Material Co.,Ltd.,Foshan 528000,China)Abstract:Organic light conversion material could optimize the spectral mismatch between solar spectrum and bandgap of the silicon based material,and thus increased the p
5、ower conversion efficiency(PCE)of solar cells.However,most organic light conversion materials were difficult to apply due to their poor photo stabilities.A highly stable and luminescent ethylene-vinyl acetate(EVA)copolymer film consisting of a new organic light conversion material was developed by m
6、ixing organic rare earth coordination compound R-1 with EVA copolymer.This light conversion film which has excellent luminescence ability and transparency,can provide a solution of improve the performance of solar cell because of the ability to convert ultraviolet light into the light that solar cel
7、ls respond to better.The results show that the addition of R-1 has no obvious influence on the performance of EVA film.In the optimal case(0.3%concentration of the organic luminescent material in the EVA matrix),the PCE of the polycrystalline silicon cells coated with the luminescent film is improve
8、d from 13.79%to 13.94%,which has increased 1.08%.Also,the luminescent EVA film displays a great stability in 120 h light soaking measurement and the fluorescence intensity remains above 50%after the test.Therefore,the light conversion EVA film can improve the photoelectric conversion efficiency of s
9、olar cells,and it has good UV aging resistance,which gives it the potential to be used in high efficiency solar cell modules.Keywords:Ethylene-vinyl Acetate;organic rare earth coordination compound;solar cell;high efficiency;stability 近年来,随着人类文明的迅猛发展,以化石能源为主的一次能源消耗迅速,因化石燃料使用导致的环境问题也日益加剧。可以说,化石能源的过度使
10、用给人类未来的可持续发展带来了严重阻碍。因此,寻找一种清洁高效、成本合理、可持续可循环使用的新能源成为了当今能源领域发展的迫切需要。太阳能电池将太阳光能直接转化为电能,是一种可以解决化石燃料短缺和地球环境污染的绿色资源。太阳能具有清洁、安全、可再生的特点,且光伏能源在全球的分布较为均衡,是积极潜力的传统能源的替代品,如何高效合理地利用太阳能也已经成为当今能源技术发展的重要课题1-2。目前,全世界每年生产的 85%以上的光伏组件为晶体桂光伏组件,晶体硅光伏组件之所以能够占据绝大部分的市场份额是由该种光伏组件的长寿命、来源丰富以及无毒等特点所决定的3。硅基太阳能电池的电池效率一般在 15%20%,
11、距离Shockley-Queisser 单节太阳能电池的理论极限效率 31%还有一定距离3。这是因为目前晶体硅太阳能电池主要吸收4001100 nm 左右的光,对 400 nm 以下的光(即紫光和紫外光)的量子效率很低。同时,单晶硅对长波长的响应较好。在600 nm波长的光照下,电池的短路电流相比于使用 400 nm 波长照射可提高 34 倍4。因此,通过合理手段充分利用 400 nm 以下的太阳光能,将其转换为 400 nm 以上的长波光可以有效提升太阳能电池的光电转换效率。此外,将下转换发光材料加入到太阳能封装胶膜中,还可以降低封装胶膜在室外环境下的老化速度,提高太阳能电池组件的寿命 从上
12、世纪 80 年代开始,国内已有科研院所开始研发 EVA封装材料,经由多年发展,目前国内生产的 EVA 封装胶膜的性能已能达到较高水平,解决了常年依赖进口的局面。从 2007年起,我国光伏组件产量已居世界前列5,降低制造成本是太阳能电池扩大应用规模的关键,而提高光电转换效率是降低成本的有效途径,据了解,转换效率提高 1%,成本会降低 7%6。本文选用自主研发的有机稀土光转换发光材料制备了光转换EVA 封装胶膜,并对胶膜的发光性能、透明性、光电转换效率及光、热稳定性进行了分析,以期为新型光转换 EVA 胶膜的推广应用提供技术支持。1 实验部分实验部分 1.1 实验原料和设备 1.1.1 主要原料
13、EVA 树脂:E280PV,韩国 Hanwha Total 石化公司;有机稀土配合物转光剂(铕配合物):R-1,淡黄色粉末,佛山华铕光电材料股份有限公司。1.1.2 实验设备 实验型双螺杆挤出机:HTGD-20,广州哈尔;紫外可见分光光度计:UV-2600,日本岛津;荧光分光光度计:F-4700,日本岛津;力传感器:BSS-50KG,美国传力;紫外线老化试验箱:40 W,UVA-340 灯管,亿达精密仪器有限公司;量子转换效率量测系统:QEX 10,美国 PV measurements 公司;太阳光模拟器:Newport IV30,美国 Newport 公司;鼓风烘箱:DHG-9013A,上海
14、一恒科学仪器有限公司;平板硫化机:BP-9170-C,宝品精密仪器有限公司。收稿日期 2022-11-30 基金项目 佛山市科技创新项目 20181T100121 新兴战略产业集群前沿新材料关键技术与应用研究 2022GDASZH-2022010109 作者简介 李岱远(1992-),男,广东佛山人,学士,助理工程师,主要研究方向为高分子材料。*为通讯作者:路芳(1983-),女,山西长治人,博士,高级工程师,主要研究方向为功能薄膜及胶带。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 56 第 50 卷 总第 486 期 1.2 试样制备 以有机光转换材料质量分数为 0.2%的光转换 EVA 胶膜
15、为例进行说明。称取 1 kg EVA 树脂和 2 g R-1 有机稀土配合物转光剂搅拌均匀后加入双螺杆挤出机中挤出(挤出温度:80115,主螺杆转速 150 r/min,喂料螺杆速度 8 r/min),经造粒得到转光母粒。将制得的的转光母粒置于特别设计的专用模具中,在 140、10 MPa 条件下用平板硫化机热压 900 s,热压结束后取出 EVA 膜,将其置于表面光滑的四氟乙烯夹板中并在夹板上放置砝码,EVA 膜在 1 kPa 的压强条件下冷压200 s,得到厚度为 0.5 mm 的光转换 EVA 胶膜。1.3 性能测试 1.3.1 发光性能测试 激发光谱及发射光谱测试,根据JY/T 025
16、-1996标准,使用荧光分光光度计F-4700进行测试。以ex=390 nm作为激发光测试EVA膜的发射光谱,以em=615 nm作为所检测的发射光测试激发光谱。扫描速度为240 nm/min,光电倍增管电压(PMT Voltage)为400 V,激发/发射狭缝(Slit EX/EM)分别为5.0 nm/5.0 nm。1.3.2 透光性 透光率测试,根据 GB/T 2410-2008 标准,使用紫外可见分光光度计 UV-2600 进行测试。对 200800 nm 波长范围的透光率进行测试,并分别对样品 400800 nm(可见光区)以及200400 nm(紫外光区)的透光率进行计算。1.3.3
17、 太阳能电池外量子效率测试 将制备好的EVA光转换胶膜置于太阳能标准电池表面(光照面积110 cm2),接入电化学工作站,固定光源强度为100 mW/m2,测定太阳能电池的伏安特性曲线(I-V 曲线)和外量子效率 EQE曲线。1.3.4 紫外光加速老化测试 将光转换 EVA 膜放入在紫外线老化试验箱中进行老化试验,在预设的老化时间取出试样,测试薄膜的发光性能,每次测试完后改变调整样品在老化试验箱中的放置位置。试验条件为:灯 UVB 340,能量 40 W,室温下老化。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 光转换 EVA 胶膜发光性能测试 a-荧光激发光谱 b-荧光发射光谱 图图 1 光转换材料光转
18、换材料 R-1 及及 R-1/EVA 光转换胶膜的荧光激发和发射光谱光转换胶膜的荧光激发和发射光谱 Fig.1 Excitation and emission spectra of R-1 and R-1/EVAfilm EVA 材料是一种常见的太阳能电池封装材料,其具有结晶度低、柔韧性和极性较高的特点。因此,将有机稀土发光材料和 EVA 胶膜结合,在保证了封装材料原有的使用性能的情况下,额外提供了光转换功能,在起到对太阳能电池的保护作用的同时,有望进一步提升太阳能电池的光电转换效率。首先,对转光材料与制备的光转换 EVA 胶膜的发光性能进行了研究。图 1a 为光转换材料 R-1 与光转换 E
19、VA 胶膜(R-1 质量分数 0.2%)的荧光激发光谱,可以发现 R-1 材料和添加了 R-1的光转换 EVA 胶膜在紫外光(300400 nm)波段都能够很好地被激发。图 1b 是 R-1 与光转换 EVA 胶膜的荧光发射光谱,可以发现两者荧光发射光谱基本一致,两者的最大发射波长均为 615 nm。图 2 为不同 R-1 质量分数的光转换 EVA 膜在相同激发光条件情况下在 615 nm 波长处荧光强度的变化曲线。可以发现光转换 EVA 胶膜的荧光强度呈现出递增的趋势。图 3为光转换 EVA 胶膜(R-1 质量分数 0.4%)在 365 nm 波长紫外光照射下的照片,可以看出光转换 EVA
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