朱 芳,曹辉辉,娄朝刚

(1.无锡科技职业学院,江苏 无锡 214028;2.东南大学电子科学与技术学院,南京 210096)

掺铈的YAG荧光粉的光谱下转换效应对单晶硅太阳能电池转换效率的影响*

朱 芳1*,曹辉辉2,娄朝刚2

(1.无锡科技职业学院,江苏 无锡 214028;2.东南大学电子科学与技术学院,南京 210096)

将掺有稀土元素铈(Ce)的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉应用于单晶硅太阳能电池,通过YAG:Ce荧光粉的下转换效应提高电池的转换效率。为了更准确地认识光谱下转换效应所起的作用,我们将掺有Ce的YAG:Ce荧光粉和不含Ce的YAG粉分别与单晶硅太阳能电池片进行封装,在反射率、外量子效率和转换效率方面进行测试比较,并对裸电池片和封装电池的性能进行了讨论分析。实验结果表明,纯粹由光谱下转换效应带来的作用能使单晶硅太阳能电池的转换效率提高0.35%,体现了YAG:Ce荧光粉对提高单晶硅太阳能电池转换效率带来的积极作用。

太阳能电池;光谱下转换;YAG:Ce;外量子效率

在光伏领域,提升太阳能电池的转换效率一直是人们研究的主要目标。对于单晶硅太阳能电池来说,目前限制其转换效率进一步提升的一个重要因素是无法有效利用太阳光中短波长高能光子的能量[1-2]。解决这个问题的一个办法是将光谱下转换材料引入到太阳能电池中,把蓝光和紫外光子转换为仍可以被电池吸收的长波长光子,这样就可以激发出有效载流子,从而提高太阳能电池的转换效率[3-10]。然而,由于光谱下转换材料的引入会带来表面反射率的变化,因此难以准确地了解光谱下转换效应本身对提高电池转换效率所起的作用。为此,我们采用掺有稀土元素铈(Ce)的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉作为光谱下转换材料[11-12],同时,用没有光谱下转换效应的不含Ce的YAG粉末作为对比材料,分别用于两个性能参数非常接近的裸电池片。通过比较各自的反射率、外量子效率和转换效率以及它们的变化,得出纯粹由光谱下转换效应带来的电池转换效率提升。

1 制备与测试

表1 裸电池片S1和S2的主要性能参数

电池的制备工艺过程如图1所示。制备含有YAG:Ce荧光粉的单晶硅太阳能电池的关键在于配制含有荧光粉的有机浆料。荧光粉在有机浆料中的比例高会造成电池表面反射的增加,比例低又会造成光谱下转换效应的减弱。所以在确定有机浆料的成分比例时,需要平衡光谱下转换效应与表面反射的变化。通过我们多次实验比较,认为乙基纤维素、松油醇和YAG:Ce荧光粉3种材料的质量比为1∶15∶0.75比较合适。为了便于测试比较,S1使用的浆料含有YAG:Ce荧光粉,S2使用的浆料含有YAG粉,其余成分和比例均一样。

图2 太阳能电池结构图

图1 太阳能电池制备流程图

2 结果与讨论

为了更清楚地看出YAG:Ce荧光粉所起到下转换作用,我们进行了反射率、外量子效率和转换效率三方面的比较分析。

2.1 反射率

图3 裸电池片S1和封装电池、的反射率

从图中可以看出,在波长小于480 nm的波段,裸电池片的反射率高于封装后的电池。这是因为单晶硅材料在短波长的折射率很大,短波长的光在从空气中入射到裸电池片表面时,折射率发生了较大的突变,导致了较高的反射率。封装后,虽然光线经过的界面数量增加会带来反射的增加,但是玻璃、荧光粉和EVA的折射率介于单晶硅和空气之间,使得光线经过界面时的折射率变化明显减小,从而抵消了界面数量增加带来的负面效应,最终降低了封装后的电池在短波段的表面反射,提供了更多的可用光子。

在波长大于480 nm的中长波段,裸电池片的反射率低于封装后的电池。这是因为单晶硅电池在中长波段的折射率相对较低,界面处的折射率变化幅度小于短波段,因此反射率较低。封装后,界面数量的增加对反射率的上升起到了主要作用,折射率渐变带来的降低反射作用不明显,被界面导致的反射上升所抵消,使得封装后的电池在中长波段的表面反射有所上升。这也是传统单晶硅太阳能电池封装后转换效率有所下降的原因。

从图中还可以看出,两个封装电池S1和S2的反射率基本一致。这主要是因为两个裸电池片S1和S2的反射率非常接近,封装后,虽然两者分别加入YAG:Ce荧光粉和YAG荧光粉,但这层荧光粉非常薄,对它们的反射率没有带来明显的差异,所以两者基本相同。

2.2 外量子效率

图4 裸电池片S1和封装电池、的外量子效率

2.3 转换效率

表2 封装电池S1、S2的主要性能参数

3 结论

在裸电池片性能基本相同的条件下,对比掺有YAG:Ce荧光粉的和掺有YAG粉的封装电池,通过在反射率、外量子效率和转换效率方面的比较,进一步看出YAG:Ce荧光粉的下转换作用,得出纯粹由下转换效应对单晶硅太阳能电池转换效率的提升,为进一步改善单晶硅太阳能电池的效率提供了积极可行的方法。

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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

项目来源:江苏省自然科学基金项目(BK2011033);江苏省重点研发计划项目(BE2016175)

2016-11-07修改日期2016-12-13

TM914.4

A

1005-9490(2017)06-1335-04

朱芳(1966-),女,汉族,江苏江阴人,本科,副教授,主要研究方向为光电子技术,810507617@qq.com;

娄朝刚(1968-),男,汉族,河南洛阳人,博士,教授,主要研究方向为物理电子学、光学工程,lcg@seu.edu.cn。