CN104882506A - 转光层材料、转光层与太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种转光层材料，包括：光谱转换材料和载体材料，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。本申请还提供了所述转光层材料形成的转光层。本申请还提供了一种太阳能电池，包括：前板玻璃表面沉积有所述转光层的太阳能电池组件。本申请转光层材料以水性丙烯酸树脂为载体材料，其使转光层为柔性薄膜，与玻璃的结合力强，具有高的透光率与低的光散射率；具有较好的耐候稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及转光层材料、转光层与太阳能电池。
背景技术
光伏制造业是新兴的高技术产业，光伏产品转换效率的提升可以直接降低系统平衡成本，组件效率每提高一个百分点，系统平衡成本可下降5～7个百分点。如何充分利用太阳光提高太阳能电池的光电转换效率是各国科学家竞相研究开发的重要课题。为解决这一问题，在不改变太阳能电池结构和不增加外部设备的条件下，目前开发的相关技术主要有组件前板玻璃减反射、组件前板玻璃减薄以及组件前板玻璃上引入转光层。
其中组件前板玻璃上引入转光层技术简单易行，即通过转光层对入射光谱进行调整提高电池的光谱响应特性。早在20世纪70年代末，Hovel等就提出了荧光下转移(LDS)的概念，在太阳能电池上面放置含有转光材料的转光层来提高电池的光电转化效率。大量的理论计算、模拟分析以及实验结果都显示转光层能够提高太阳能电池的光电转换效率。
转光层由光谱转换材料及其载体材料组成。诸多研究的关键点在于光谱转换材料，欲通过选择不同的光谱转换材料提高转光层的光电转换效率。研究表明，光谱转换材料可以是有机材料，也可以是无机材料，其均是利用光谱转换材料的特性实现转光层的下转换或上转换，将太阳能电池不能有效响应的紫外光或红外光转换为电池能够有效响应的可见光，从而提高电池的光电转化率。文献《TiO2/Sm3+下转换薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用》中报道采用溶胶-凝胶法制备了TiO2/Sm3+下转换薄膜，利用其下转换特性将紫外光转换为可见光，提高了可见光光照强度，使电池短路电流提高了13.2％，光电转换率提高了16.2％。文献《Improving spectral response ofmonocrystalline silicon photovoltaic modules using high efficientluminescent down-shifting Eu3+complexes》报道了一种通过光谱下转换技术提高太阳能电池在紫外(UV)区光谱响应的方法，优化了Eu3+配合物对于单晶硅(c-Si)光伏(PV)组件的LDS特性，将这种配合物加入聚醋酸乙烯酯(PVAc)制成薄膜覆盖在c-Si光伏组件上增加了UV区的外量子效率，PV组件的效率从16.05％增加到16.37％。文献《下转换发光粉体SrAl2O4:Eu2+，Dy3+在硅太阳能电池中的应用》采用化学共沉淀法结合水热处理方法制备了颗粒尺寸约为40nm的发光粉体SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，将质量分数10％的SrAl2O4:Eu2+，Dy3+与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在N，N-二甲基甲酰胺溶剂中充分混合后，采用丝网印刷技术将其涂覆于市售硅太阳能电池板上形成覆盖下转换薄膜的太阳能电池，电池的开路电压和短路电流均得到提高，电池的光电转化效率从7.96％提高至8.96％，提高了1％。
转光层材料中的光谱转换材料固然十分重要，但是载体材料也会对转光层性能造成影响。转光层所选用的载体材料首先要具有高的透光率(尤其是对电池光谱响应性好的波长范围内的光子)和低的光散射率；其次，能够使转光材料在载体中很好地分散；最后，具有一定的耐热、耐光稳定性。上述文献以及现有技术中，转光层材料常用的载体材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(俗称有机玻璃)、聚醋酸乙烯酯PVAc以及各种玻璃等。但是PMMA与PVAc只能用有机溶剂溶解配制浆料，溶剂挥发对环境造成污染；最重要的是其与太阳能电池组件前板玻璃的结合力差；随着使用时间的延长，可导致转光层的应力开裂。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种转光层材料，本申请提供的转光层材料形成的转光层与玻璃结合力强，且具有良好的力学稳定性。
有鉴于此，本申请提供了一种转光层材料，包括：光谱转换材料和载体材料，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。
优选的，所述水性丙烯酸树脂为丙烯酸树脂乳液或丙烯酸树脂水分散体；所述丙烯酸树脂乳液的固含量为20wt％～60wt％，所述丙烯酸树脂水分散体的固含量为20wt％～60wt％。
优选的，所述丙烯酸树脂乳液按照下述方法制备得到：
在引发剂作用下，油性烯类单体在水中发生乳液聚合反应；
所述丙烯酸树脂水分散体按照溶液聚合法得到。
优选的，所述光谱转换材料的含量为1wt％～10wt％，所述水性丙烯酸树脂的含量为90wt％～99wt％，所述水性丙烯酸树脂的固含量为20wt％～60wt％。
优选的，所述光谱转换材料选自有机光谱转换材料与无机光谱装换材料中的一种或两种。
优选的，所述光谱转换材料为有机光谱转换材料和无机光谱转换材料；所述有机光谱转换材料为中心离子为稀土Eu3+的有机配合物，所述无机光谱转换材料为含稀土Eu元素的无机光谱转换材料。
本申请还提供了上述方案所述的转光层材料形成的转光层。
优选的，所述转光层的厚度为10～200μm。
优选的，所述转光层的制备按照下述过程进行：
将有机光谱转换材料与无机光谱转换材料中的一种或两种与水性丙烯酸树脂混合，得到浆液；
将所述浆液涂刷或喷涂于太阳能电池组件的前板玻璃表面，干燥后得到转光层。
本申请还提供了一种太阳能电池，包括：前板玻璃表面沉积有上述方案所述转光层的太阳能电池组件。
本申请提供了一种转光层材料，包括光谱转换材料和载体材料，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。本申请转光层材料以水性丙烯酸树脂为载体材料，其使转光层为柔性薄膜，与玻璃的结合力强，具有高的透光率率与低的光散射率；具有较好的耐候稳定性，并且本申请的载体材料通过溶剂水形成，对环境友好。实验结果表明，本发明提供的转光层材料作为转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种转光层材料，包括：光谱转换材料和载体材料，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。
本申请采用水性丙烯酸树脂作为光谱转换材料的载体，在太阳能电池组件前板玻璃上制备转光层。本申请转光层由于转光层材料的载体通过溶剂水挥发形成，对环境友好，所制备的转光层为柔性薄膜，与玻璃的结合力强；具有高的透光率与低的光散射率；具有一定的耐热、耐光稳定性、不脆化、不变黄；具有较好的力学稳定性，不易燃。
光谱转换材料一般是固体粉末，无法直接应用到电池上，因此，需要用一种有机高分子材料作为载体，把光谱转换材料粉末分散到这种高分子材料中形成一种薄膜覆盖到太阳能电池表面的玻璃板上。本申请转光层材料的载体材料水性丙烯酸树脂优选为丙烯酸树脂乳液或丙烯酸树脂水分散体；所述丙烯酸树脂乳液优选为作为丙烯颜料粘结剂的聚丙烯酸乳液。所述丙烯酸树脂乳液优选由油性烯类单体在水中乳化在水性自由基引发剂引发下合成。所述丙烯酸树脂水分散体的合成可以采用溶液聚合法。所述溶液聚合法具体为：所述丙烯酸树脂水分散体(亦称水可稀释丙烯酸)，其溶剂与水互溶，在单体配方中含有羧基，碱中和后得到盐基，强烈搅拌下加水得到阴离子型丙烯酸树脂水分散体；或单体配方中含有叔胺基单体，采用酸中和后得到季铵盐基，在强烈搅拌下加水得到阳离子型丙烯酸树脂水分散体。本申请作为转光层载体的水性丙烯酸树脂可以采用市售产品，也可以按现有技术制备。
本申请中所述转光层材料中光谱转换材料的含量优选为1wt％～10wt％，在一些实施例中，所述光谱转换材料的含量更优选为2.5wt％～5wt％；所述水性丙烯酸树脂的含量优选为90wt％～99wt％，在一些实施例中，所述水性丙烯酸树脂的含量更优选为95wt％～97.5wt％，所述水性丙烯酸树脂的固含量优选为20wt％～60wt％。本申请所述光谱转换材料优选为有机光谱转换材料和无机光谱转换材料中的一种或两种。所述有机光谱转换材料优选为中心离子为Eu3+的有机配合物，所述无机光谱转换材料优选为含稀土Eu元素的无机光谱转换材料。本申请对所述光谱转换材料没有特别的限制为本领域技术人员熟知的光谱转换材料即可。本申请还提供了上述转光层材料形成的转光层。本申请中转光层中的载体材料水性丙烯酸树脂是主体材料，其用量决定了转光层的厚度，最终决定转光层的性质。本申请中所述转光层的厚度优选为10～200μm，在一些实施例中，所述转光层的厚度更优选为50～150μm。
本申请所述转光层的制备按照下述制备方法得到：
将有机光谱转换材料与无机光谱转换材料中的一种或两种与水性丙烯酸树脂混合，得到浆液；
将所述浆液涂刷或喷涂于太阳能电池组件的前板玻璃表面，干燥后得到转光层。
本申请还提供了一种太阳能电池，其包括前板玻璃表面沉积有转光层的太阳能电池组件。
本申请提供了一种转光层材料，包括光谱转换材料与载体材料，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。本申请转光层材料以水性丙烯酸树脂为载体材料，其使转光层为柔性薄膜，与玻璃的结合力强，具有高的透光率率与低的光散射率；具有较好的耐候稳定性。实验结果表明，本发明提供的转光层材料作为转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的转光层材料与转光层进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
以下实施例中采用的共同试验条件：试验用太阳能电池组件规格为1650×990，多晶硅电池的功率为250W，单晶硅电池的功率为270W。丙烯酸树脂的相对密度0.90，转光层厚度为100μm。光谱转换材料选择中心离子为稀土Eu3+的有机配合物粉末(Eu(TTA)3Phen、Eu(acac)3Phen等)以及含稀土Eu元素的无机光谱转换材料(SrAl2O4：Eu2+ 0.04，Dy3+ 0.02、Y(Mo0.5W0.5):Eu3+等)。使用模拟光源按GB/T9535-1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》测定太阳能电池组件涂覆转光层前后的开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、工作电压(Vmp)、工作电流(Imp)、最大功率(Pmax)。用涂覆转光层后的最大功率(Pmax)减去涂覆转光层前的最大功率(Pmax)值除以涂覆转光层前的最大功率(Pmax)，所得百分值为光电转换效率增加值。以下实施例中水性丙烯酸树脂按照现有方法制备得到。
实施例1
以丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、有机硅(A-171)、乳化剂(MS-1)、乳化剂(OP-10)、交联剂(N-OH)、过硫酸铵(APS)为原料，与去离子水混合乳化，利用自由基乳液聚合工艺合成改性聚丙烯酸酯乳液。将98wt％的聚丙烯酸酯乳液与2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen混合，其中聚丙烯酸酯乳液的固含量为40％，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，室温环境下自然干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥92％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.7％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.5％。
实施例2
以叔碳酸乙烯酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸、N-羟甲基甲基丙烯酰胺、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为主要原料，采用高比例种子乳液聚合法，选用阴离子乳化剂(A-501)和非离子乳化剂(AEO-9)的复合体系，合成具有高透明度、高光泽、高牢度的丙烯酸酯聚合物。在98wt％的丙烯酸酯聚合物乳液中添加2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen(乳液的固含量50％)，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，室温环境下自然干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为3.1％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.9％。
实施例3
按比例在实施例2所用乳液中同时添加2wt％有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen和0.5wt％无机光谱转换材料SrAl2O4：Eu2+ 0.04，Dy3+ 0.02，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，室温环境下自然干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为3.3％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为3.1％。
实施例4
一种可用于调制玻璃画颜料的市售聚丙烯酸乳液。在98wt％的聚丙烯酸乳液(固含量为45％)中添加2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，室温环境下自然干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥92％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为3.0％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.7％。
实施例5
选用甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸-β-羟丙酯、苯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯为反应单体，偶氮二异丁腈作为引发剂，正丁醇、乙醇作为溶剂，旒基乙醇为助溶剂，制得的树脂加水，剧烈搅拌后得到乳液状的水稀释型丙烯酸树脂。按比例在98wt％的稀释型丙烯酸树脂(固含量50％)中添加2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.3％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.1％。
实施例6
在水性丙烯酸分散体和EP147水性环氧分散混合体系中，依次加入二丙二醇甲醚、蒸馏水、基材润湿剂、消泡剂，并充分搅拌分散制得乳液，加入水性聚氨酯固化剂、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(附着力促进剂)、蒸馏水并充分搅拌均匀静置制得丙烯酸树脂水分散体。按比例在98wt％的丙烯酸树脂水分散体(固含量为30％)中添加2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.3％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.1％。
实施例7
以丙烯酸、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯、丙烯酸羟丙酯、丙二醇甲醚、丁醇、偶氮二异丁腈、二甲基乙醇胺、三乙醇胺、引发剂、氨基树脂等为原料合成水稀释型丙烯酸树脂。按比例在97.5wt％的水稀释型丙烯酸树脂(固含量50％)中添加2wt％有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen和0.5wt％的无机光谱转换材料SrAl2O4：Eu2+ 0.04，Dy3+ 0.02，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.9％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.5％。
实施例8
按比例在97.5wt％的进口水性丙烯酸分散体(固含量50wt％)中添加2wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen和0.5wt％的无机光谱转换材料SrAl2O4：Eu2+ 0.04，Dy3+ 0.02，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为3.3％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为3.0％。
实施例9
按比例在96wt％的进口水性丙烯酸分散体(固含量50wt％)中添加2.5wt％的有机光谱转换材料Eu(acac)3Phen和1.5wt％的无机光谱转换材料SrAl2O4：Eu2+ 0.04，Dy3+ 0.02，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.7％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.3％。
实施例10
按比例在96wt％的进口水性丙烯酸分散体(固含量50wt％)中添加2.5wt％的有机光谱转换材料Eu(TTA)3Phen和1.5wt％的无机光谱转换材料Y(Mo0.5W0.5):Eu3+，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.9％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.5％。
实施例11
按比例在96wt％的进口水性丙烯酸分散体(固含量50wt％)中添加2.5wt％的有机光谱转换材料Eu(acac)3Phen和1.5wt％的无机光谱转换材料Y(Mo0.5W0.5):Eu3+，搅拌均匀，刷涂或喷涂在太阳能电池组件的前板玻璃上，热风吹扫干燥成膜。实验结果表明，转光层透过率≥90％，使用一年后转光层不脱落。测试结果：多晶硅电池的光电转换效率增加值为2.5％，单晶硅电池的光电转换效率增加值为2.2％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种转光层材料，包括：光谱转换材料和载体材料，其特征在于，所述载体材料为水性丙烯酸树脂。
2.根据权利要求1所述的转光层材料，其特征在于，所述水性丙烯酸树脂为丙烯酸树脂乳液或丙烯酸树脂水分散体；所述丙烯酸树脂乳液的固含量为20wt％～60wt％，所述丙烯酸树脂水分散体的固含量为20wt％～60wt％。
3.根据权利要求2所述的转光层材料，其特征在于，所述丙烯酸树脂乳液按照下述方法制备得到：
在引发剂作用下，油性烯类单体在水中发生乳液聚合反应；
所述丙烯酸树脂水分散体按照溶液聚合法得到。
4.根据权利要求1所述的转光层材料，其特征在于，所述光谱转换材料的含量为1wt％～10wt％，所述水性丙烯酸树脂的含量为90wt％～99wt％，所述水性丙烯酸树脂的固含量为20wt％～60wt％。
5.根据权利要求1所述的转光层材料，其特征在于，所述光谱转换材料选自有机光谱转换材料与无机光谱装换材料中的一种或两种。
6.根据权利要求5所述的转光层材料，其特征在于，所述光谱转换材料为有机光谱转换材料和无机光谱转换材料；所述有机光谱转换材料为中心离子为稀土Eu3+的有机配合物，所述无机光谱转换材料为含稀土Eu元素的无机光谱转换材料。
7.权利要求1～6任一项所述的转光层材料形成的转光层。
8.根据权利要求7所述的转光层，其特征在于，所述转光层的厚度为10～200μm。
9.根据权利要求7所述的转光层，其特征在于，所述转光层的制备按照下述过程进行：
将有机光谱转换材料与无机光谱转换材料中的一种或两种与水性丙烯酸树脂混合，得到浆液；
将所述浆液涂刷或喷涂于太阳能电池组件的前板玻璃表面，干燥后得到转光层。
10.一种太阳能电池，包括：前板玻璃表面沉积有权利要求7～9任一项所述转光层的太阳能电池组件。
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