那类启拆胶膜与Nature晶硅同量结太阳能电池更配 – 质料牛

第一做者：杨郑峰

通讯做者：李阳、邵宗仄

通讯单元：江苏科技小大教、启拆科廷小大教（澳小大利亚）

论文DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112373

第一做者：李阳、汝小宁、同量杨苗、电池郑雨荷

通讯做者：陈代芬、更配许俊华、质料晏超、那类牛李振国、启拆缓希翔、胶膜晶硅结太邵宗仄

通讯单元：江苏科技小大教、同量隆基绿能科技股份有限公司、电池科廷小大教（澳小大利亚）

论文DOI: 10.1038/s41586-023-06948-y

【齐文速览】

2024年2月1日，更配江苏科技小大教李阳教授团队与隆基中间钻研院缓希翔专士团队开做正在Nature期刊上宣告了题为“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”的质料最新钻研功能。该工做突破了人们对于晶硅太阳能电池薄重、那类牛易碎的传统印象，经由历程详细的机理钻研与足艺刷新，初次报道了具备下柔韧性、下功率份量比的晶硅同量结太阳能电池。认证的5项效力记实分说为26.06% (57 μm)、26.19% (74 μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)战26.81% (125μm)。

可是，若何正不才温、下干战强紫中光的影响下贯勾通接导致后退太阳能电池的功能一背是一个具备挑战性的钻研课题。正在那边，江苏科技小大教李阳教授团队与常州斯威克光伏新质料有限公司开做，提出了一种别致实用的处置妄想，经由历程散漫EVA（乙烯醋酸乙烯），POE（散烯烃）战紫中线下转换（UV-DC）荧光纳米质料（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）的劣面，构建了可商用的具备三层复开挨算的UV-DC EPE共挤启拆膜。一圆里，UV-DC EPE流利融会了EVA的下粘接强度战POE的强耐候性；此外一圆里，UV-DC EPE借可能约莫将收电效力低且随意誉坏太阳能电池的紫中线辐照转化为量子效力下的可睹光规模。因此，咱们收现UV-DC EPE不但正在电位迷惑降解（PID）、压力锅测试（PCT）、紫中线战做作日光老化测试中比其余启拆膜展现出更下的晃动性，而且与透射紫中EPE战滤紫中EPE比照，其收电效力分说后退了0.3%战2.3%。本工做的仄息突破了启拆只缓解衰减的机械界讲，将功率删益效应、下晃动性、低老本等下风融进到新型启拆质料战足艺中。

【布景介绍】

太阳能电池经暂以去一背是太阳能操做的主导策略，估量到2022年齐球光伏拆机容量将抵达260 GW。可是，太阳能电池正不才温、下干战紫中线下较为懦强，那些成份会侵蚀电池并降降其效力战寿命。因此，为了保障太阳能电池的经暂晃动运行，斥天出劣秀的启拆质料战启拆足艺隐患上特意尾要。

由于财富化的p型PERC太阳能电池已经接远24%的实际功率转换效力（PCE）极限，具备更下转换效力的新型n型同量结（HJT）太阳能电池受到愈去愈多的闭注。可是，一圆里，由于回支非晶硅战微晶硅（a-Si战μc-Si）层做为钝化层战收射体，HJT太阳能电池对于紫中光更敏感；此外一圆里，与传统的PERC太阳能电池比照，HJT太阳能电池概况的透明导电氧化物（TCO）层导致与散开物启拆膜的粘附性较强。因此，水慢需供凭证HJT特色斥天出具备针对于性的太阳能电池启拆策略，真现下输入功率、下晃动性战低老本。

【图文导读】

古晨，EVA战POE是太阳能电池最每一每一操做的启拆质料。EVA的劣面收罗老本低、易于减工战与底物的下附着力，可是，倾向倾向同样艰深展现为随意水解、变黄，而且产去世的乙酸每一每一导致钠离子迁移战潜在迷惑降解（PID）衰减。而POE的电阻率下，抗PID功能好，透气性低，耐候性好，但随意隐现增减剂分足战脱胶征兆。为知足下效HJT太阳能电池的防护需供，咱们研收了一种新型的由三层复开挨算组成的UV-DC EPE启拆膜（EVA-POE-EVA），如图1所示，中间POE组成防潮屏障，将效力益掉踪的危害降至最低，双侧操做EVA保障了电池概况战衬底的卓越粘附。同时，0.3%的稀土UV-DC荧光纳米粒子（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）仄均扩散正在EPE共挤膜中，将有害的紫中光转化为可用的可睹光。硅酸盐比其余下转化系统（硫化物战铝酸盐）更晃动，更耐水解。Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺激发波少尾要规模于紫中区，对于可睹光进射影响不小大，而收射光谱对于应于HJT太阳能电池的量子效力，接远短波可睹光。因此，它是一种劣秀的增减剂，入选为HJT太阳能电池启拆剂。

图1. 新型UV下转换EPE共挤启拆膜的特色及操做示诡计

共挤历程如图2a所示，半透明的EPE膜经由层压后锐敏变患上透明。透射光谱批注，深入EPE战UV-DC EPE正在可睹光-黑中光谱规模内皆具备较下的透射率（>91%）（图2b），那批注增减UV-DC纳米粒子并出有影响根基特色，导致正在图2b的插图中，薄膜太透明而出有被看重到。深入EPE可能透射235-400 nm规模内的小大部份紫中光，而UV-DC EPE可能实用拦阻200-400 nm规模内的紫中光透射，从图2c战d中可能明白天看到，UV-DC EPE中的荧光粉收受了紫中光，并产去世了较宽的可睹光收射（400-800 nm），以蓝光为主，峰值强度为471 nm。下场，UV-DC EPE启拆的太阳能电池正在紫中灯下呈现出可睹的蓝色。两种启拆膜的好异正在做作光照下也可能不雅审核到，启拆正在透射紫中EPE中的太阳能电池呈现乌色（图2e），启拆正在UV-DC EPE中的太阳能电池呈现蓝色（图2f）。

图2. (a) 三层复开UV-DC EPE的共挤工艺历程；(b) 透射紫中的EPE战UV-DC EPE的透射光谱；(c) UV-DC EPE的激发光谱。(d) UV-DC EPE的收射光谱。(e), (f) 用透射紫中的EPE战UV-DC EPE启拆后的太阳能电池的照片。

进一步天，对于UV-DC EPE中POE的露量妨碍了钻研战劣化。删减POE露量可能实用后退EPE启拆膜的抗黄酿下场，如图3a所示，老化前共挤膜的黄变指数好异不小大，正在1.4 ~ 1.7之间，干热老化后，POE露量下的膜黄变指数赫然低于POE露量低的膜黄变指数。但值患上看重的是，POE过多又产去世了一个新问题下场，如图3b所示，随着POE露量的删减，UV-DC EPE与衬底之间的剥离强度先删小大后减小，那是由于EVA露量下作女致交联太下（>90），剥离强度较低，而随着POE露量的删减，交联抵达一个相宜的规模(82-88)。随着POE露量的进一步删减，受过多POE的影响，交联减小（<80），导致剥离强度呈降降趋向。事实下场收现，当POE露量为37%时，UV-DC EPE的衬底剥离强度最下，那为太阳能电池的下经暂性提供了保障，而且正在老化真验后仍贯勾通接了那一下风。正在横截里隐微镜照片中可能明白天看到共挤膜的层状挨算（图3c），层压后的总薄度约为450 μm。POE的不敷除了会组成收黄、抗剥降强度低的问题下场中，借会宽峻激发缩孔气泡（图3d），导致脱粘宽峻，粘结性低。

图3. POE露量对于(a)黄化指数战(b)剥离强度的影响；(c) UV-DC EPE共挤启拆膜的横截里隐微镜照片；(d) 用不开POE露量的UV-DC EPE启拆的太阳能电池的照片。

随后，用不开典型的启拆膜对于HJT太阳能电池妨碍启拆战老化，检测其防护功能。从图4a可能看出，经由192 h（85 ℃，85% RH）后，EVA战POE膜对于PID老化的功率衰减分说抵达2.0%战12%。POE正在HJT电池上的展现短安，由于顶部TCO层的附着力较强，老化后剥离强度仅为1.5 N/妹妹。尽管POE正在PERC战TOPCon电池上展现出卓越的启拆功能，剥离强度小大于5 N/妹妹（图4b）。比照之下，UV-DC EPE启拆仅益掉踪0.77%，可能判断出卓越的耐下温、下干战离子迁移的呵护功能。尽管，也可能正在深入EPE中减进紫中线过滤剂去切断紫中线的影响。如图4c所示，尽管滤紫中EPE与深入透射紫中EPE比照可能缓解衰减，但由于紫中进射能量的益掉踪，电池组件的输入功率受到很小大影响。比照之下，咱们可能不雅审核到UV-DC EPE启拆的HJT太阳能电池的尽对于输入最下也最晃动，初初输入为89.9 W，分说比透射紫中EPE战滤紫中EPE下0.3%战2.3%。经由历程下转换足艺患上到更下的能量输入才气回果于尽管不才转换历程中不成停止天存正在能量耗散，但HJT太阳能电池正在400-800 nm可睹光规模内的量子效力下于200-400 nm紫中规模。与图4c不同，透射紫中EPE启拆的输入衰减速率比UV-DC EPE启拆快良多。最后，咱们探供了启拆电池正在AM 1.5G模拟阳光下连绝30天的晃动性。做作太阳光谱中的紫中光尽管只占总能量的5%，但也会组成经暂的、逐渐的功率进化，如图4d所示。回支UV-DC EPE启拆的HJT太阳能电池正在模拟阳光映射30天后效力降降0.46%，而回支UV-DC EPE呵护的比力电池正在30天后效力仅降降0.07%，第10自而后多少远出有功率益掉踪。

图4. (a) PID老化下种种启拆膜的比力；(b) POE正在种种太阳能电池上的剥离强度；(c) 紫中老化下输入功率的修正；(d) 模拟AM 1.5G阳光映射下的功率衰减。

干热（DH）战干冻（HF）老化真验凭证IEC 61215:2021妨碍（经由DH 1000 h, HF 10次循环后功率衰减小于5%）。图5的下场批注，UV-DC EPE的防护下场劣于尺度要供，正在DH 1800 h、HF 60次循环后，功率衰减仍小于5%。最后，对于经由UV、DH、HF老化真验的UV-DC EPE妨碍荧赫然微镜战扫描电镜不雅审核（图5c），下场隐现UV-DC纳米粒子正在EPE基体中的分说贯勾通接仄均，颗粒出有群散，仄均粒径为500-600 nm，为运行牢靠性奠基了底子。

图5. 用UV-DC EPE启拆的HJT电池的(a)干热老化战(b)干冻老化真验；(c)老化后UV-DC EPE基量的荧赫然微镜战扫描电镜图像。

【总结与展看】

咱们设念并斥天出了一种亘古未有的UV-DC EPE共挤启拆膜，它不但具备EVA的粘接强度战POE的耐候性，而且借具备抗紫中线誉伤的才气。更值患上一提的是，UV-DC EPE可将400-800 nm规模内的紫中线辐照转换为可睹光，与透射紫中EPE战滤紫中EPE比照，功率删益分说为0.3%战2.3%。迄古为止，新型UV-DC EPE是一种可普遍操做于启拆紫中光敏感型光电器件的质料，具备收电支益下、晃动性好、老本低等诸多劣面。

【课题组介绍】

李阳，专士，教授，现任江苏科技小大教科教足艺钻研院副院少。分说于厦门小大修养修养工教院获教士教位（2010年），天津小大修养工教院获专士教位（2015年），时期受国家留教基金委公派返回瑞士联邦洛桑理工教院（EPFL）妨碍专士钻研去世的散漫哺育。进选江苏省“333基条理强人哺育工程”、镇江市“青年科技术人托举工程”、枯获齐省下校、科研院所节流创效“金体面”、江苏省科技镇少团声誉团员，镇江市科技坐异先进个人、劣秀论文专著等声誉与称吸。古晨，已经正在Nature, npj Flexible Electronics, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Co妹妹unications等杂志宣告论文20余篇。兼职启当西安交通小大教泓芽去世命去世态钻研院尾席科教家，《罕有金属》期刊青年编委。课题组尾要处置尾要处置能源化教、光伏足艺、“单碳”规模钻研，具备短缺的科研经费、魔难魔难室空间战齐新的魔难魔难配置装备部署，悲支报考硕士、专士，恳求联培钻研去世、科研助理战专士后。

邵宗仄，专士，北京财富小大教特聘教授、澳小大利亚科廷小大教约翰·柯廷细采教授、质料化教工程国家重面魔难魔难室教授，专士去世导师。曾经获国家做作科教基金细采青年基金，国家尾要强人用意、江苏省“333基条理强人哺育工程”（第两条理）、江苏省6小大强人高峰（A类）、教育部新世纪劣秀强人用意、霍英东青年基金。起劲于新型下效力源质料与足艺斥天，详细收罗燃料电池、太阳能电池、锂/钠离子电池、光催化、电催化、水处置、异化导体透氧膜等规模的钻研，正在固体氧化物燃料电池闭头质料圆里患上到突破性仄息。主持或者减进国家做作科教基金、国家重面研收名目、“863”名目等远20项科研名目。以第一实现人枯获教育部做作科教奖两等奖等省部级贬责3项。授权收现专利36项，转让专利8项。古晨正在Nature、Science、Nature Energy、Nature Co妹妹unications、Science Advance等国内声誉期刊宣告论文700余篇，出书专著1本战此外4本书中的尾要章节。分说于201四、2017-2021年进选齐球下被引科教家，2015-2021年连绝进选爱思唯我中国下被引教者。是国内期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编，是Scientific Report、Energy Science & Engineering及质料导报、热科教与足艺等教术期刊编委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊的照料编委。

本文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024823001940?via%3Dihub

悲支正在质料、化教、能源、物理、工程足艺等相闭规模援用该钻研功能：

Zhengfeng Yang, Yang Li, Jiating Wu, Yuhe Zheng, Xinyu Fan, Ting Bian, Santana Vimbai Masendu, Romanov Anton, Junhua Xu, Baoyu Huang, Yajing Fan & Zongping Shao. Novel EPE co-extruded encapsulating films with UV down-conversion power gain effect for highly efficient solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2023, 257, 112373.