摻鈰的YAG熒光粉的光譜下轉換效應對單晶硅太陽能電池轉換效率的影響*

朱 芳,曹輝輝,婁朝剛

(1.無錫科技職業學院,江蘇 無錫 214028;2.東南大學電子科學與技術學院,南京 210096)

摻鈰的YAG熒光粉的光譜下轉換效應對單晶硅太陽能電池轉換效率的影響*

朱 芳1*,曹輝輝2,婁朝剛2

(1.無錫科技職業學院,江蘇 無錫 214028;2.東南大學電子科學與技術學院,南京 210096)

將摻有稀土元素鈰(Ce)的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光粉應用于單晶硅太陽能電池,通過YAG:Ce熒光粉的下轉換效應提高電池的轉換效率。為了更準確地認識光譜下轉換效應所起的作用,我們將摻有Ce的YAG:Ce熒光粉和不含Ce的YAG粉分別與單晶硅太陽能電池片進行封裝,在反射率、外量子效率和轉換效率方面進行測試比較,并對裸電池片和封裝電池的性能進行了討論分析。實驗結果表明,純粹由光譜下轉換效應帶來的作用能使單晶硅太陽能電池的轉換效率提高0.35%,體現了YAG:Ce熒光粉對提高單晶硅太陽能電池轉換效率帶來的積極作用。

太陽能電池;光譜下轉換;YAG:Ce;外量子效率

在光伏領域,提升太陽能電池的轉換效率一直是人們研究的主要目標。對于單晶硅太陽能電池來說,目前限制其轉換效率進一步提升的一個重要因素是無法有效利用太陽光中短波長高能光子的能量[1-2]。解決這個問題的一個辦法是將光譜下轉換材料引入到太陽能電池中,把藍光和紫外光子轉換為仍可以被電池吸收的長波長光子,這樣就可以激發出有效載流子,從而提高太陽能電池的轉換效率[3-10]。然而,由于光譜下轉換材料的引入會帶來表面反射率的變化,因此難以準確地了解光譜下轉換效應本身對提高電池轉換效率所起的作用。為此,我們采用摻有稀土元素鈰(Ce)的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光粉作為光譜下轉換材料[11-12],同時,用沒有光譜下轉換效應的不含Ce的YAG粉末作為對比材料,分別用于兩個性能參數非常接近的裸電池片。通過比較各自的反射率、外量子效率和轉換效率以及它們的變化,得出純粹由光譜下轉換效應帶來的電池轉換效率提升。

1 制備與測試

表1 裸電池片S1和S2的主要性能參數

電池的制備工藝過程如圖1所示。制備含有YAG:Ce熒光粉的單晶硅太陽能電池的關鍵在于配制含有熒光粉的有機漿料。熒光粉在有機漿料中的比例高會造成電池表面反射的增加,比例低又會造成光譜下轉換效應的減弱。所以在確定有機漿料的成分比例時,需要平衡光譜下轉換效應與表面反射的變化。通過我們多次實驗比較,認為乙基纖維素、松油醇和YAG:Ce熒光粉3種材料的質量比為1∶15∶0.75比較合適。為了便于測試比較,S1使用的漿料含有YAG:Ce熒光粉,S2使用的漿料含有YAG粉,其余成分和比例均一樣。

圖2 太陽能電池結構圖

圖1 太陽能電池制備流程圖

2 結果與討論

為了更清楚地看出YAG:Ce熒光粉所起到下轉換作用,我們進行了反射率、外量子效率和轉換效率三方面的比較分析。

2.1 反射率

圖3 裸電池片S1和封裝電池、的反射率

從圖中可以看出,在波長小于480 nm的波段,裸電池片的反射率高于封裝后的電池。這是因為單晶硅材料在短波長的折射率很大,短波長的光在從空氣中入射到裸電池片表面時,折射率發生了較大的突變,導致了較高的反射率。封裝后,雖然光線經過的界面數量增加會帶來反射的增加,但是玻璃、熒光粉和EVA的折射率介于單晶硅和空氣之間,使得光線經過界面時的折射率變化明顯減小,從而抵消了界面數量增加帶來的負面效應,最終降低了封裝后的電池在短波段的表面反射,提供了更多的可用光子。

在波長大于480 nm的中長波段,裸電池片的反射率低于封裝后的電池。這是因為單晶硅電池在中長波段的折射率相對較低,界面處的折射率變化幅度小于短波段,因此反射率較低。封裝后,界面數量的增加對反射率的上升起到了主要作用,折射率漸變帶來的降低反射作用不明顯,被界面導致的反射上升所抵消,使得封裝后的電池在中長波段的表面反射有所上升。這也是傳統單晶硅太陽能電池封裝后轉換效率有所下降的原因。

從圖中還可以看出,兩個封裝電池S1和S2的反射率基本一致。這主要是因為兩個裸電池片S1和S2的反射率非常接近,封裝后,雖然兩者分別加入YAG:Ce熒光粉和YAG熒光粉,但這層熒光粉非常薄,對它們的反射率沒有帶來明顯的差異,所以兩者基本相同。

2.2 外量子效率

圖4 裸電池片S1和封裝電池、的外量子效率

2.3 轉換效率

表2 封裝電池S1、S2的主要性能參數

3 結論

在裸電池片性能基本相同的條件下,對比摻有YAG:Ce熒光粉的和摻有YAG粉的封裝電池,通過在反射率、外量子效率和轉換效率方面的比較,進一步看出YAG:Ce熒光粉的下轉換作用,得出純粹由下轉換效應對單晶硅太陽能電池轉換效率的提升,為進一步改善單晶硅太陽能電池的效率提供了積極可行的方法。

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TheDown-ConversionEffectofCe-DopedYAGPhosphorsonCrystallineSiliconSolarCells*

ZHUFang1*,CAOHuihui2,LOUChaogang2

(1.Wuxi Vocational College of Science and Technology,Wuxi Jiangsu 214028,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The down-conversion effect of Ce-doped YAG phosphors can enhance the efficiency of crystalline silicon solar cells. In order to know the role which the down-conversion effect plays,we packaged two solar cells by introducing down-conversion Ce-doped YAG phosphors and the pure YAG phosphors without Ce which do not have the down-conversion effect. The comparison in the reflection,external quantum efficiency and conversion efficiency of the samples shows that the down-conversion effect itself can enhance the conversion efficiency of the solar cells by 0.35%.

solarcells;down conversion;YAG:Ce;quantum efficiency

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.002

項目來源:江蘇省自然科學基金項目(BK2011033);江蘇省重點研發計劃項目(BE2016175)

2016-11-07修改日期2016-12-13

TM914.4

A

1005-9490(2017)06-1335-04

朱芳(1966-),女,漢族,江蘇江陰人,本科,副教授,主要研究方向為光電子技術,810507617@qq.com;

婁朝剛(1968-),男,漢族,河南洛陽人,博士,教授,主要研究方向為物理電子學、光學工程,lcg@seu.edu.cn。