CN114097096A - 太阳能转换材料、包括其的太阳能电池封装物和包括其的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有提高的效率的太阳能转换材料和包括其的太阳能电池。根据本发明的一个实施方案，本发明提供了一种太阳能转换材料，其包括氢氧化铝前体和镧系离子或包括其的衍生物。

Description

太阳能转换材料、包括其的太阳能电池封装物和包括其的太 阳能电池
技术领域
本发明涉及一种具有提高的效率的太阳能转换材料和太阳能电池封装物以及包括其的太阳能电池。
背景技术
最普遍商业化的太阳能电池是由硅材料制成的，并且由于自然太阳光谱与硅基材料的带隙之间的不匹配，所以约50％的光不能被利用。即，自然太阳光谱具有从紫外光到红外光波长的宽分布(280至2500nm，0.5至4.4eV)，而硅太阳能电池仅能够吸收紫外光和可见光波长中的一些波长。
最近，为了弥补这一点，已经提出了使用太阳能转换材料来提高自然阳光和硅太阳能电池的光转换效率的研究(Chem.Soc.Rev.，2013，42，173)。即，所提出的研究是将太阳能转换材料(太阳光谱转换器)引入到硅太阳能电池，该太阳能转换材料将硅吸收太阳光不足的紫外区中或具有比硅带隙更小能量的红外区中的光转换为可见光或近红外光波长区的光，其中可见光或近红外光可以被硅良好吸收。
此外，由于太阳能电池或通常由太阳能电池组成的太阳能模块安装在室外，并且长期暴露于外部环境，诸如热、湿、日较差或污染源，因此必须确保长期耐久性，以免受到这些外部因素的影响。
为了解决上述问题，还可以在封装物中分散功能性添加剂。例如，可以通过向封装物添加UV稳定剂、UV吸收剂或吸收剂和稳定剂的组合来确保长期耐久性，可以添加它们以提高对UV射线的耐久性。
然而，在紫外光吸收剂的情况下，紫外光区附近的光不能入射到太阳能电池中，因此太阳能电池模块的整体初始输出可能会不希望地降低。此外，为了提高绝缘性或诱发水分捕获，当引入无机颗粒(诸如二氧化硅或氢氧化镁)时，封装物的耐久性会或多或少地提高，但由于入射到太阳能电池前表面的太阳光的散射或反射，可能会干扰太阳能电池的光吸收。因此，当添加多种功能性添加剂来解决上述问题时，可以提高封装物的耐久性，但可能会降低太阳能电池或太阳能电池模块的整体输出。
发明内容
实施方案技术问题描述
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高太阳能电池的光电流转换效率的太阳能转换材料。
本发明的另一目的在于提供一种太阳能电池封装物，以及一种具有高耐久性同时具有优异光电流转换效率的太阳能电池。
问题的解决方案
为实现本发明的目的，本发明提供了一种太阳能转换材料，该太阳能转换材料包含发光氢氧化铝前体。
根据实施方案，氢氧化铝前体优选以下各项中的一种：一乙酸铝、三乙酸铝、二乙酸铝、铝三乙基铝、三甲基铝、烷醇铝、氯化二乙基铝、硫酸铝、氰化铝、亚硝酸铝、碳酸铝、亚硫酸铝、氢氧化铝、氧化铝、氯酸铝、硫化铝、铬酸铝、三氯化铝、高氯酸铝、硝酸铝、高锰酸铝、碳酸氢铝、磷酸铝、草酸铝、磷酸氢铝、硫代硫酸铝、亚氯酸铝、硫酸氢铝、重铬酸铝、溴化铝、次氯酸铝、氯化铝六水合物、磷酸二氢铝、亚磷酸铝、硫酸铝钾十二水合物、溴酸铝、氮化铝或其衍生物。
根据实施方案，太阳能转换材料优选包括Al(OH)3、AlOOH、5Al2O3·2H2O或Al2O3结构。
根据实施方案，发光氢氧化铝优选地具有在1nm至1000μm的范围内的尺寸。
根据实施方案，发光氢氧化铝优选地具有多孔结构。
根据实施方案，太阳能转换材料优选地进一步包括镧系离子(lanthanide ion，或称为镧系元素离子)或包含其的衍生物。
根据实施方案，镧系离子优选地能够在近红外、紫外或可见光波长区中发射光。
根据实施方案，近红外发光镧系离子的前体优选地选自Yb(镱)、Nd(钕)、Er(铒)、Ho(钬)、Tm(铥)、和包含其的衍生物的一种或多种。
根据实施方案，镧系离子前体优选地包含发射波长在可见光波长区中的元素。
根据实施方案，基于100重量份的氢氧化铝前体，镧系离子或包含其的衍生物优选地包括0.001至10重量份的量。
根据实施方案，太阳能转换材料优选地进一步包括芳族环化合物或其衍生物。
根据实施方案，芳族环化合物或其衍生物优选地位于距氢氧化铝前体或由其衍生的氢氧化铝10nm以内，或者优选地由共价键形成。
根据实施方案，芳族环化合物优选地是以下各项中的一种或多种：其中仅碳和氢键合在一起的芳族烃，其中形成环的碳原子中的一些被除碳以外的氧、氮或硫原子取代的芳族杂环化合物，或者其中芳族烃和芳族杂环化合物分子中一些氢被官能团取代的衍生物。
根据实施方案，芳族环化合物优选地是以下各项中的一种或多种：呋喃、苯并苯并呋喃、异苯并苯并呋喃、吡咯、吲哚、异吲哚、噻吩、苯并苯并噻吩、苯并苯并噻吩、咪唑、苯并咪唑、嘌呤、吡唑、吲唑、噁唑、苯并噁唑、噁唑异噁唑、苯并噁唑异噁唑、噻唑、苯并苯并噻唑、苯并苯、萘、蒽、吡啶、喹喔啉、吖啶、嘧啶、喹唑啉、哒嗪、噌啉、酞嗪、1,2,3-三嗪、1,2,4-三嗪、1,3,5-三嗪及其衍生物。
根据实施方案，太阳能转换材料的粒径优选地在0.5nm至500μm的范围内。
根据实施方案，太阳能转换材料的最大吸收波长为200nm至500nm，优选300nm至450nm。
根据实施方案，太阳能转换材料的最大发射波长优选450nm至1100nm。
为实现本发明的另一个目的，本发明提供了一种太阳能电池封装物，该太阳能电池封装物包括根据本发明的太阳能转换材料。
根据实施方案，封装物优选为具有100μm或更小的厚度的膜的形式。
根据实施方案，封装物优选为EVA(乙烯乙酸乙烯酯)、POE(聚烯烃弹性体)、交联的聚烯烃(PO)、TPU(热塑性聚氨酯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、有机硅(silicone，或称为聚硅氧烷)、有机硅/聚氨酯杂化物或离聚物。
根据实施方案，基于100重量份的封装物的树脂，太阳能转换材料优选地以0.0001至10重量份，优选地1至10重量份的量被包含。
为实现本发明的另一个目的，本发明提供了一种太阳能电池，该太阳能电池包括根据本发明的太阳能转换材料或太阳能电池封装物。
根据实施方案，太阳能转换材料优选地被涂覆在太阳能电池的前表面上或太阳能电池前表面上的封装物的后表面上。
根据实施方案，涂覆优选喷涂或丝网涂覆。
根据实施方案，太阳能电池封装物优选为EVA(乙烯乙酸乙烯酯)、POE(聚烯烃弹性体)、交联的聚烯烃(PO)、TPU(热塑性聚氨酯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、有机硅、有机硅/聚氨酯杂化物或离聚物。
此外，在本发明的优选的实施方案中，根据本发明的封装物层压在太阳能电池的前表面和后表面上，玻璃层压在位于太阳能电池的前表面上的封装物的前表面上，并且背板层压在位于太阳能电池的后表面上的封装物的后表面上。
公开的有利影响
当通过将具有紫外吸收和可见光光致发光特性的太阳能转换材料均匀地分散在树脂中来制造太阳能模块时，不仅可以预期通过紫外光吸收的紫外光阻隔效应，而且可以预期可见光光致发光的下转换效应(down-conversion effect)，从而制造出具有更高输出与耐久性的太阳能模块。
此外，由于氢氧化铝材料能够吸热和吸潮，因此可以通过耐热、防潮的效果进一步提高封装物的耐久性。
因此，包括封装物的太阳能模块，在该封装物中分散了具有这种光致发光特性的太阳能转换材料，可以通过增加长期耐久性来防止由于长期暴露在户外而导致的输出降低，这有助于太阳能的产生。
此外，根据本发明的太阳能转换材料可以将一个或多个光子从具有太阳能电池的低光电流转换效率的紫外光发射到具有高光电流转换效率的可见光和近红外光波长区，从而最大化太阳能电池的效率。
此外，根据本发明的太阳能转换材料在合成发光氢氧化铝的步骤中引入了芳族环化合物和/或镧系离子，以进一步提高紫外区的吸光度，从而实现有效的下转换，并且同时提高太阳能电池的耐久性，从而降低太阳能电池的发电成本，并且保证长期输出。
当太阳能转换材料涂覆在太阳能电池的前侧或在太阳能电池前侧的封装物的后侧上时，可以提高太阳能电池的效率。当材料直接涂覆在太阳能电池上时，会诱发下转换，从而提高输出。
此外，当太阳能转换材料位于封装物和太阳能电池之间的界面时，还可以预期由于抗反射涂层效应而增加的光伏电流、和由于捕获从模块的钢化玻璃产生的Na+离子而导致的太阳能模块的抗PID(电位诱发退化)效应、以及由于紫外光阻隔和散热性能而产生的抗LeTID(光和高温诱发退化)效应。
附图说明
图1是其中分散有发光氢氧化铝颗粒的封装物、包括其的太阳能光伏(PV)电池和太阳能模块的横截面示意图。
图2示出了用于紫外光吸收以及可见光和近红外光致发光的氢氧化铝光致发光原理的示意图：(a)可见光光致发光原理；和(b)可见光和近红外光致发光原理。
图3示出了发光氢氧化铝的吸光度和光致发光光谱：虚线代表吸光度；和实线代表光致发光光谱。
图4示出了近红外发光氢氧化铝的激发和光致发光光谱：(a)Yb掺杂；(b)Ce、Yb掺杂；(c)Tb、Yb掺杂；和(d)Yb、2-萘甲酸掺杂。
图5示出了显示根据近红外发光氢氧化铝的2-萘甲酸掺杂的光致发光(PL)强度的变化的光谱。
图6示出了包含发光氢氧化铝、芳族环化合物及其衍生物的发光氢氧化铝的消光和光致发光光谱：
(a)和(d)示出了发光氢氧化铝(AlOH)的消光和光致发光光谱；
(b)和(e)示出了包含2-萘甲酸的发光氢氧化铝(AlOH-NA)的消光和光致发光光谱；和
(c)和(f)示出了包含1,2,3,4-四氢咔唑-4-酮的发光氢氧化铝(AlOH-CA)的消光和光致发光光谱。
图7示出了(a)AlOH和(b)AlOH-NA的发光氢氧化铝的时间分辨的荧光光谱。
图8示出了引入发光氢氧化铝和紫外光吸收剂前后的太阳能封装物的总透射率光谱：双点划线代表EVA的总透射率，单点划线代表EVA-AlOH 0.1的总透射率，实线代表EVA-AlOH 0.5的总透射率，并且虚线代表EVA-C81 0.2的总透射率。
图9示出了引入发光氢氧化铝前后的封装物的总透射率光谱：(a)2000小时后的UV老化；和(b)2000小时后的湿热老化。
图10示出了表5和表6的太阳能电池#2以及实施例4的涂覆有AlOH-NA-Yb的电池的外部量子效率光谱。
图11示出了通过测量表5和表6的太阳能电池#2以及实施例4的涂覆有AlOH-NA-Yb的电池的总反射率的变化而获得的光谱；
图12示出了用发光氢氧化铝涂覆硅太阳能电池前后的外部量子效率光谱。
图13示出了用发光氢氧化铝涂覆硅太阳能电池前后的反射率光谱。
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述本发明，但这是为了更详细地描述本发明，而不是意图限制本发明的范围。
根据本发明的实施方案，本发明提供一种太阳能转换材料，其包括具有紫外吸收和可见光光致发光特性的发光氢氧化铝。
根据光转换方法，太阳能转换材料主要分为两种类型：下转换(down-conversion)和上转换(up-conversion)。
首先，下转换分为：下移位，其中具有比硅带隙更高的能量的短波长的一个光子(例如，紫外光)被吸收，然后被转换为具有硅可以良好吸收的低能量的长波长区的一个光子；和量子切割，其中将吸收的光子转换为波长为吸收的波长的至少两倍的低能量区中的两个或更多个光子。
相反地，被称为上转换的技术是在红外线区中能量小于硅的带隙的吸收两个光子被吸收和传输，而无需被硅吸收，然后将其转换为在高可见光区中的容易被硅吸收的一个光子。
根据本发明的实施方案，提供了一种太阳能转换材料，包括：发光氢氧化铝前体；和镧系离子或含有其的衍生物。
根据本发明的实施方案，提供了一种太阳能转换材料，该太阳能转换材料包括：发光氢氧化铝前体；和芳族环化合物或其衍生物。
本发明涉及一种具有提高的效率的包含低成本的发光氢氧化铝的太阳能转换材料以及包括其的太阳能电池，并且涉及通过将太阳能转换材料定位在阳光入射的太阳能电池与前封装物的界面处，或者通过将太阳能转换材料分散在封装物中引起下转换、抗反射性涂层效应和耐久性提高根据短路电流的增加来提高光电流转换效率的技术。
图1是其中分散有发光氢氧化铝颗粒的封装物、包括其的太阳能光伏(PV)电池和太阳能模块的横截面示意图。
参照图1，可以在从光入射到的前侧以玻璃/封装物层/太阳能光伏(PV)电池/封装物层/背板的顺序层叠之后，通过层压来制造硅太阳能电池模块。
<太阳能转换材料>
为了制造能够提高光电流转换效率和提高封装物耐久性的太阳能转换材料，本发明使用了发光氢氧化铝，该发光氢氧化铝是一种低成本材料并且具有诸如优异的吸光度和光致发光特性、耐热性和耐湿性的特性。
发光氢氧化铝包括Al(OH)3、AlOOH、5Al2O3·2H2O或Al2O3结构，并且在本发明中，该结构在下文中被称为氢氧化铝、AlOH或铝氢氧化物。
发光氢氧化铝前体以下各项中的一种：一乙酸铝、三乙酸铝、二乙酸铝、铝三乙基铝、三甲基铝、烷醇铝、氯化二乙基铝、硫酸铝、氰化铝、亚硝酸铝、碳酸铝、亚硫酸铝、氢氧化铝、氧化铝、氯酸铝、硫化铝、铬酸铝、三氯化铝、高氯酸铝、硝酸铝、高锰酸铝、碳酸氢铝、磷酸铝、草酸铝、磷酸氢铝、硫代硫酸铝、亚氯酸铝、硫酸氢铝、重铬酸铝、溴化铝、次氯酸铝、氯化铝六水合物、磷酸二氢铝、亚磷酸铝、硫酸铝钾十二水合物、溴酸铝、氮化铝或其衍生物。
根据实施方案，发光氢氧化铝优选地具有多孔结构。可以根据诸如前体、溶剂、杂质或热分解反应温度和时间等变量使所制备的发光氢氧化铝合成为具有孔隙率，并且当制备的发光氢氧化铝具有孔隙率时，表面积因此增加，并且因此可以提高封装物的耐久性，诸如耐湿性和耐热性。
根据本发明的实施方案，根据本发明的太阳能转换材料优选地进一步包含镧系离子或包含其的衍生物。
具体而言，如果引入能够实现近红外光致发光的镧系离子，则可以吸收紫外光，并且同时发射可见光和近红外光，并且因此当将该镧系离子应用于在可见光和近红外波长范围中具有优异发电效率的高效太阳能电池时，可以实现更高的光电流转换率。
此外，当氢氧化铝吸收紫外光波长区的高能量并将其转移到能够近红外光致发光的镧系离子时，发射两个近红外光波长区中的具有低能量的长波长的光子，该波长是吸收波长的两倍以上，从而使太阳能电池的光电流转换率最大化。
镧系离子可以在近红外、紫外或可见光波长区发射光。
根据本发明的实施方案，为了诱发近红外光致发光，可以引入一些镧系离子。能够发射800nm以上的波长的近红外区的光的近红外发光镧系元素前体可以包括Yb(镱)、Nd(钕)、Er(铒)、Ho(钬)、Tm(铥)等，并且根据太阳能电池的外量子效率特性，可以选择在太阳能电池的高光电流转换效率的波长处的具有光致发光光谱的离子，并将其掺杂到氢氧化铝中。
根据本发明的实施方案，选择能够实现近红外光致发光的镧系离子，并且例如，当选择Yb时，包括Yb的所有衍生物可以用作Yb的前体。因此，实例可以包括三氟甲磺酸镱、三氟甲磺酸镱水合物、氯化镱、氟化镱、碘化镱、氯化镱六水合物、氟化镱、氧化镱、硝酸镱五水合物、乙酸镱水合物四水合物、乙酸镱水合物、多苯乙烯磺酸镱、3-羟基-2-萘基(2-羟基亚苄基)酰肼、异丙醇镱、溴化镱、三[N,N-双(三甲基硅烷基)酰胺]镱等。
此外，根据本发明的实施方案，为了诱发从发光氢氧化铝到近红外光的有效能量转移，可以将在可见光波长区中的具有光致发光波长的包括Ce、Tb、Eu等的基于镧系的离子(lanthanide-based ion，或称为基于镧系元素的离子或镧系离子)前体一起掺杂。
根据本发明的实施方案，基于100重量份的氢氧化铝前体，镧系离子或包含其的衍生物可以以0.001至10重量份的量被包括。基于100重量份的氢氧化铝前体，当在0.001至10重量份的范围之外引入过量的镧系离子时，光致发光性能可能会由于镧系离子聚集导致的猝灭而劣化，而当引入少量的镧系离子或包含其的衍生物时，从发光氢氧化铝到镧系离子的能量转移可能会受到限制，并因此可能难以预期下转换效果。
根据本发明的实施方案，当适当加入杂质或芳族环化合物及其衍生物时，可以改变氢氧化铝的俘获态(trap state)，并且还可以根据改变的俘获态来控制发射波长的位置。
根据本发明的实施方案，基于100重量份的氢氧化铝前体，芳族环化合物或包含其的衍生物可以以0.001至10重量份的量被包括。
此外，当由芳族环化合物及其衍生物所吸收的光位于比俘获发射更高的能量时，可以实现从芳族环化合物及其衍生物至氢氧化铝的俘获态的能量转移。在这种情况下，近红外发光氢氧化铝的光致发光强度通过额外的能量转移放大。即，芳族环化合物及其衍生物可以充当天线，其捕获紫外光波长区中的光并将捕获的光转移至氢氧化铝。
因此，与氢氧化铝单独存在的情况相比，在芳族环化合物及其衍生物一起存在的情况下，可以实现有效的紫外光吸收和更强的可见光和近红外光致发光。此外，由于俘获态的位置降低，发射波长移动至更长的波长，并且斯托克斯位移(Stokes shift)(其是吸收波长和发射波长之间的差)可以增加从而减少从该材料发射的光的再吸收。
为了有效地将能量从芳族环化合物及其衍生物转移至氢氧化铝，两种材料之间的距离必须位于10nm以内或形成共价键。因此，芳族环化合物优选地位于距离氢氧化铝前体或由其衍生的氢氧化铝10nm以内，或处于由共价键形成的状态。
根据本发明的实施方案，芳族环化合物优选地是以下各项中的一种或多种：其中仅碳和氢键合在一起的芳族烃，其中形成环的碳原子中的一些被除碳外的氧、氮或硫原子取代的芳族杂环化合物，或者其中芳族烃和芳族杂环化合物分子中的一些氢被官能团取代的衍生物。
根据本发明的实施方案，芳族环化合物可以选自以下各项中的一种或多种：呋喃、苯并苯并呋喃、异苯并苯并呋喃、吡咯、吲哚、异吲哚、噻吩、苯并苯并噻吩、苯并苯并噻吩、咪唑、苯并咪唑、嘌呤、吡唑、吲唑、噁唑、苯并噁唑、噁唑异噁唑、苯并噁唑异噁唑、噻唑、苯并苯并噻唑、苯并苯、萘、蒽、吡啶、喹喔啉、吖啶、嘧啶、喹唑啉、哒嗪、噌啉、酞嗪、1,2,3-三嗪、1,2,4-三嗪、1,3,5-三嗪及其衍生物。
太阳能转换材料可以通过使用水热法、溶胶-凝胶法、热分解合成法等来制备。在本发明中，通过热分解合成方法来更详细地描述本发明，但是本发明的范围不限于此。
在通过热分解合成法来合成发光氢氧化铝的情况下，可以使用沸点高于铝前体的热分解温度的材料作为溶剂。例如，使用具有200℃或更高的沸点的材料，诸如十六烷基胺、1-二十碳烯(1-eicosene)、1-十八碳烯、二十二烷、苯基醚、苄基醚、辛基醚、油酸、油胺和聚异丁烯等作为溶剂。
所述溶剂可以充当溶剂并提供杂质，诸如碳、羰基自由基、草酸磷酸自由基、硫酸等，从而可以控制发光特性或可以进一步提高发光性能而起作用。此外，在热解合成步骤中，通过加入杂质，诸如烷基(alky)(C1至Cn)乙酸酯，从而可以控制吸光度和光致发光特性。
另外，在热解合成步骤中的光吸收，特别是当适当加入在紫外光波长区具有高消光系数的芳族环化合物及其衍生物时的近红外发光氢氧化铝的吸光度，可以诱发增加的光致发光、大的斯托克斯位移等。因此，在热解合成步骤中，芳族环化合物与氢氧化铝前体和镧系元素离子一起加入。
将一种或多种铝前体、一种或多种镧系离子和一种芳族环化合物及其衍生物分散在溶剂中，并且然后在铝前体的热解温度下反应。当反应完成时，可以分离纯化产物以获得最终的发光氢氧化铝(太阳能转换材料)。
通过热解合成产生的氢氧化铝由于金属氧化物中的缺陷所引起的俘获发射而展现出光致发光特性。在俘获发射中，当材料中存在缺陷时，在基态和激发态之间形成另一个能级的俘获态，并且通过外部能量从基态转移到激发态的电子被稳定化并移动到由于该缺陷而产生的更低的能级，并在转移至最终基态的同时发光(图2(a))。在这种情况下，当掺杂少量的能够使近红外光致发光的一种或多种镧系离子时，能量从氢氧化铝转移至镧系离子，并且近红外光致发光在低能量(具有大于氢氧化铝的光致发光的波长的两倍的波长)下发生。具体地，在近红外光波长区中可以发射两个或更多个光子(图2(b))。
由于太阳能转换材料位于太阳能电池的前部，因此有利地使用尺寸小于入射到太阳能电池上的太阳光波长的颗粒。如果粒径与入射太阳光的波长相似或更大，则入射阳光可能散射或反射，从而可能降低整个太阳能电池的效率。因此，太阳能转换材料的粒径可以在0.5nm至500μm的范围内，优选地在1nm至100μm以下的范围内。
根据本发明的发光氢氧化铝优选地具有40％或更高的绝对量子产率。
图3示出了通过热解合成工艺制备的发光氢氧化铝的吸光度和光致发光光谱。更具体地，虚线代表氢氧化铝的吸收光谱，其在450nm处开始吸收，并且在紫外区显示出强吸光度，并且实线代表光致发光光谱，在526nm处显示出最大发射峰。
为了将太阳能转换材料应用于硅太阳能电池，太阳能转换材料应该在紫外光波长区具有吸光度，并且在可见光和近红外光波长区具有光致发光特性。具体地，太阳能转换材料的吸收波长区优选地在200至500nm形成。此外，光致发光波长区优选地在450nm或更大处，优选地在450nm至1100nm形成。
特别地，关于太阳能转换材料，优选的是，吸收波长区和光致发光波长区不重叠，并且使用具有大斯托克斯位移的材料是有利的，因为当吸收波长区和光致发光波长区重叠时，再次吸收由材料发射的光的再吸收会作为损失。
可以根据诸如前体、溶剂、杂质或热分解反应温度和时间等变量将所制备的发光氢氧化铝合成为具有孔隙率，当发光氢氧化铝具有孔隙率时，表面积增大，可以提高太阳能模块的耐久性，诸如耐湿性和耐热性。
对于太阳能转换材料，特别是对于下转换材料所需的特性包括高发光效率、高消光系数、高光安全性、紫外光吸收、低于可见光波长的光致发光以及大的斯托克斯位移(最大吸收波长与最大光发射波长之间的波长差(Δλ＝λ发射-λ吸收))等。
为了将下转换材料应用于太阳能电池，该下转换材料必须适当地满足所需的特性。否则，太阳能电池的效率可能会降低。例如，当将低发光效率材料引入到太阳能电池的前部时，阳光可能被吸收但可能不会转化为可见光，并且因此可能会相当阻碍太阳能电池的太阳能吸收。
另外，具有低消光系数的材料难以预期下转换效应，因为该材料的吸收效率低，即使发光效率高。对于在可见光波长区吸光度低于紫外光波长区的材料，商购获得的硅太阳能电池不能预期额外的下转换效应，因为在可见光波长区中的光电流转换效率已高达90％。此外，具有小的斯托克斯位移的材料具有很大的吸收波长与光致发光波长之间的重叠程度，并且因此由于发射的光的再吸收而可能存在损失，从而不会预期有效的下转换。
同时，当诱发量子切割时，太阳能电池不能吸收的短波长的光子作为长波长的两个或更多个光子发射，其中太阳能电池转换效率高，由此太阳能电池的效率显著地提高。
根据实施方案，太阳能转换材料优选地以通过分散在透光树脂中而制备的厚度为100μm或更小的薄膜的形式使用。
在下文中，为了证明根据本发明制造的太阳能转换材料是能够提高太阳能电池效率的优异太阳能转换材料，将参考附图来描述本发明。
图4示出了由此制备的近红外发光氢氧化铝的激发和光致发光光谱。图4(a)示出了单独掺杂Yb的近红外发光氢氧化铝的激发和光致发光光谱。当使用氙灯作为激发光源辐射350nm的紫外光时，450nm附近的蓝光发射(点划线)和1000nm附近的近红外光发射(虚线)同时出现。为了确定氢氧化铝的可见光和近红外光致发光是在哪个波长区被吸收和表达，对激发光谱进行了分析。
在图4(a)中，点划线代表450nm光致发光的激发光谱，虚线代表1000nm光致发光的激发光谱。即，证实了可见光光致发光和近红外光致发光都是通过吸收在300nm至500nm的范围内的紫外区中的波长而出现的。此外，在图4(b)和4(c)中，即使额外引入Ce和Tb，未观察到Ce和Tb光致发光峰，而仅观察到氧化铝和Yb光致发光峰，证实有效的能量转移是按照氢氧化物、Ce(或Tb)和Yb的顺序发生的。
同时，图4(d)示出了通过将2-萘甲酸与Y作为一种芳族环化合物及其衍生物一起引入制备的近红外发光氢氧化铝的激发和光致发光光谱。在图4(d)中，双点划线和虚线分别代表光致发光光谱中500nn、1000nm附近的最大发射峰。当加入2-萘甲酸时，可以看出，与图4(a)相比，最大发射峰移至约50nm的更长波长，这意味着如上所述通过引入2-萘甲酸改变了俘获态，并且还意味着由于光致发光光谱的长波长偏移而减少了再吸收损失。此外，由于在近红外波长区观察到Yb的发射峰，证实了以2-萘甲酸、氢氧化铝和Yb的顺序实现了有效的能量转移。如参考图4(a)至图4(c)所描述的，通过观察激发光谱证实，在500nm和1000nm附近发射的可见光和近红外光均被在300nm至500nm的范围内的紫外区的波长吸收(图4(d))。
图5示出了具有单独的Yb或添加了2-萘甲酸的Yb的近红外发光氢氧化铝的光致发光光谱。虚线代表仅掺杂Yb的光致发光光谱，并且实线代表一起引入Yb和2-萘甲酸的光致发光光谱。证实当添加2-萘甲酸时，随着紫外吸收的增加，实现了氢氧化铝的光致发光放大和将有效的能量转移至Yb，从而提高了Yb的光致发光强度。
图6示出了发光氢氧化铝络合物的消光光谱和光致发光光谱。具体来说，图6(a)和图6(d)分别示出了单独的氢氧化铝(AlOH)的消光光谱和光致发光光谱，其中吸收在450nm处开始并且在紫外区表现出吸收。此外，在390nm、465nm和514nm处显示出光致发光特征峰，并且最大发射波长是465nm。图6(b)和图6(e)示出了在合成步骤中与铝前体一起引入2-萘甲酸所制备的发光氢氧化铝(AlOH-NA)的消光和光致发光光谱。与单独的氢氧化铝AlOH的情况类似，在450nm处开始吸收，并且在380nm的波长区展现出强吸收。同时，最大发射波长是520nm，与AlOH相比，它位移至约55nm的更长波长。图2(c)和2(f)示出了通过在合成步骤中与铝前体一起引入1,2,3,4-四氢咔唑-4-酮所制备的发光氢氧化铝(AlOH-CA)的消光和光致发光光谱，在500nm处开始吸收，并且在370nm的波长区展现出强吸收。同时，最大发射波长是530nm，与AlOH相比，它位移至约65nm的更长波长。由图6的结果证实，当在热解合成步骤中引入芳族环化合物时，在紫外光区中的吸收得到改善，并且最大吸收波长与光致发光波长之间的差进一步增大，因此最小化由于再吸收所致的损失。
通过时间分辨荧光(TRF)可以更清楚地理解由添加芳族环化合物及其衍生物引起的发光氢氧化铝的光致发光特性的变化以及芳族环化合物及其衍生物的能量转移效应。
图7(a)和图7(b)示出了AlOH和AlOH-NA的TRF光谱，并且可以从这些光谱计算出平均寿命(τ平均)。图7(a)分别示出了在400nm、450nm和500nm处观察到的AlOH发射波长，并且平均寿命(τ平均)值分别是1.07ns、2.19ns和3.39ns。同时，图7(b)示出了分别在400nm、450nm、500nm和520nm处观察到AlOH-NA的发射波长，并且可以看出，每个波长的AlOH-NA的平均寿命大于AlOH的平均寿命(τ平均)，并且根据该图计算出的平均寿命(τ平均)值分别是1.21ns、8.18ns、11.25ns和11.84ns。这意味着，由于被NA吸收的紫外光的能量转移至AlOH上，根据AlOH的发射的平均寿命通常会延长。即，在合成步骤中将芳族环化合物或其衍生物一起引入时，可以看出，在紫外区对光的强吸收和有效的能量转移得以实现。这意味着实现了有效的下转换。
取决于材料被引入的位置，用于将合成的太阳能转换材料引入到太阳能电池中的方法可以包括，通过将该材料分散在用于保护硅太阳能电池的封装物中来制造片材形式的硅太阳能电池的方法、用于将该材料直接施加在硅太阳能电池的全表面上的方法、用于将该材料施加在与太阳能电池的前表面结合的封装物的表面上的方法等。
<太阳能电池封装物>
太阳能转换材料分散在树脂中以形成片材并用于制造太阳能光伏模块。
首先，作为太阳能电池的封装物，使用诸如乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、聚烯烃弹性体(POE)、交联聚烯烃、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、有机硅、有机硅/聚氨酯杂化物、离聚物等的材料，并且最常使用EVA或POE。
通常，在将太阳能转换材料引入到封装物之后并将其置于太阳能电池的前表面上，通过热层压来制造太阳能电池模块的许多方法正在被报道，并且存在其中将所报告的方法应用于商业化生产的情况。
然而，在这种情况下，由于构成封装物的聚合物(诸如EVA或POE)的折射率(n～1.4)与硅太阳能电池表面上的SiNx的折射率(n～2.5)之间的较大差异，从封装物内部的太阳能转换材料发射的光不能行进至太阳能电池而是行进至封装物片材的侧面，这是因为封装物内部的全内反射引起的波导现象占主导地位。这种现象可以作为来自太阳能电池侧的光损失。
<施加到太阳能电池表面>
相反，当施加到太阳能电池的表面或封装物的表面时，太阳能转换材料位于封装物与太阳能电池之间的界面处，并且由于数微米(μm)至数十微米(μm)的硅纹理结构，光不会向侧面行进，而是行进至太阳能电池的内部。另外，如果可以将太阳能转换材料调节为具有在封装物的折射率(n～1.4)和太阳能电池表面的折射率(n～2.5)之间的值，根据斯涅耳定律(Snell’s law)，向封装物、太阳能转换材料和太阳能电池行进的全部光变得非常有利，因此可以在太阳能电池侧更多地利用光，从而提高光电流转换效率。即，可以预期太阳能转换材料的下转换效应和抗反射性涂层效应二者。
当分散在溶剂中时，太阳能转换材料可以施加到太阳能电池的表面上。用于施加到太阳能电池表面的方法可以包括旋涂、棒涂(bar coating)、喷涂、浸涂、丝网印刷等。此外，当施加到封装物时，除旋涂外的所有方法都可以应用。
<太阳能电池模块/太阳能电池>
根据本发明的实施方案，在硅太阳能模块的情况下，如图1的示意图所示，在从光入射到其上的前表面以玻璃/封装物层/光伏(PV)电池/封装物层/背板的顺序进行堆叠，并且然后可以通过层压来制造硅太阳能电池模块，其中发光氢氧化铝可以分散在封装物的前表面或分散在封装物的前表面和后表面两者中。
根据本发明的实施方案，构成太阳能电池的材料的类型和尺寸不限于此。例如，本发明涉及一种太阳能电池，其可以不考虑材料类型进行应用，该太阳能电池包括有机光伏电池(OPV)、基于半导体诸如硒化铜铟镓(CIGS)、碲化镉(CdTe)、钙钛矿等的太阳能电池，基于硅的太阳能电池，和基于半导体-硅串联结构的太阳能电池，其中提高了太阳能电池的光电流转换效率。
然而，为了解释本发明，使用并描述了6-英寸的多晶硅太阳能电池。
在本发明中，考虑到商业化生产应用，使用了能够快速且均匀涂覆的喷涂方法，但是本发明不限于此。
公开方式
在下文中，将详细描述本发明的优选实施方案，但是提供以下实施例仅是为了促进对本发明的理解，并且本发明的范围不限于以下实施例。
制备例1：制备太阳能转换材料(氢氧化铝前体)
将10g乙酸铝与100ml的1-十八碳烯溶剂混合，并且然后在300℃下在搅拌下进行热分解反应30分钟。反应完成后，通过离心分离氢氧化铝并重新分散在10ml甲苯溶剂中。图3示出了这样制备的发光氢氧化铝溶液的紫外-可见光谱和光致发光光谱，其中虚线代表吸收，并且实线代表光致发光光谱。基于氢氧化铝含量的实施例分别设定为实施例1和2。
制备例2：制备太阳能转换材料(氢氧化铝前体+镧系离子)
将10g乙酸铝与10ml的1-十八碳烯溶剂混合。向该混合溶液中，与铝前体相比，加入量为0.2重量％的乙酸镱(III)水合物(从上述近红外发光镧系离子中)，并且然后在300℃下在搅拌下进行热分解反应30分钟。反应完成后，通过离心分离氢氧化铝并重新分散在10ml甲苯溶剂中。这样合成的太阳能转换材料用于实施例3，并且未添加乙酸镱(III)水合物所合成的太阳能转换材料用于对比例5。
制备例3：制备太阳能转换材料(氢氧化铝+芳族环化合物)
将10g乙酸铝与100ml的1-十八碳烯溶剂混合，并且然后在300℃下在搅拌下进行热分解反应30分钟。反应完成后，通过离心分离氢氧化铝并重新分散在10ml甲苯中。
为了控制光致发光特性，与作为铝前体的乙酸铝相比，将3-羟基-2-萘甲酸作为芳族环化合物以5重量％的量加入，并且在300℃下在搅拌下进行了热分解反应30分钟，然后分离和纯化。
制备例4：制备太阳能转换材料(氢氧化铝+镧系离子+芳族环化合物)
以与制备例2中的相同方式制备太阳能转换材料，不同的是，为了进一步增强紫外吸收和控制光致发光特性，与铝前体相比，将为一种芳族环化合物衍生物的3-羟基-2-萘甲酸以0.2重量％的量加入，并且在搅拌下以与上述相同的方式进行热分解反应，然后分离和纯化。这样合成的太阳能转换材料用于实施例4，并且未添加乙酸镱(III)水合物的合成的太阳能转换材料用于对比例6。
实施例1和2：制造包含太阳能转换材料的封装物片材
在封装物片材制造步骤中，将制备例1中制备的太阳能转换材料加入到封装物树脂中，然后通过挤出制备其中分散有太阳能转换材料的封装物片材。作为封装物树脂，使用了具有15g/10min的熔融指数和28重量％的乙酸乙烯酯含量的乙烯乙酸乙烯酯共聚物(由Hanwha Total Petrochemical Co.，Ltd.制造)。1重量份的由Alkemas制造的Luperox TBEC(叔丁基-2-乙基己基单过氧碳酸酯)、0.5重量份的由Evonik制造的TAICROS(三烯丙基异氰尿酸酯)作为交联助剂、0.1重量份的由Ciba制造的Tinuvin 770(双-2,2,6,6,-四甲基-4-哌啶基癸二酸酯)作为紫外线稳定剂、以及0.3重量份的由Dow Corning制造的OFS-6030(甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅氧烷)作为硅烷偶联剂，加入到100重量份的EVA中并混合。此后，通过挤出机制造EVA片材，挤出机温度保持在100℃，T型模头温度保持在100℃，并且制备的片材的厚度为0.5mm。在下文中，每个这样制备的片材被表示为“EVA”。
为了比较耐久性的评价，以与上述EVA片材制造方法相同的方式制造片材，不同之处在于在片材EVA的制造方法中向100重量份的EVA额外加添加0.1或0.5重量份的发光氢氧化铝，并且将制造的片材表示为“EVA-AlOH 0.1”和“EVA-AlOH 0.5”，并且分别设定为实施例1和2。
为了比较评价，在对比例1中使用以与实施例1相同的方式制造的片材，不同之处在于不使用发光氢氧化铝(在下文中被称为“EVA”片材)，并且以同样的方式制备片材，不同之处在于额外添加0.1、0.2、0.5重量份的由Ciba制造的Chimassorb 81(2-羟基-4-辛氧基-二苯甲酮)作为紫外光吸收剂，并且表示为“EVA-C81 0.1”、“EVA-C81 0.2”和“EVA-C810.5”，分别用于对比例2至4。
根据发光氢氧化铝(AlOH)和紫外光吸收剂(C81)的引入及其含量，实施例和对比例列于下表1中。
表1
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
加入的AlOH(重量％) 0.1 0.5 - - - -
加入的C81(重量％) - - - 0.1 0.2 0.5
<制造包括其中分散有发光氢氧化铝的封装物的太阳能模块>
将实施例1和2以及对比例1至4中制造的每个封装物片材以玻璃(200mm×200mm)、封装物层、由GINTECH制造的6-英寸多晶太阳能电池、封装物层和由SFC制造的基于PVDF(聚偏二氟乙烯)的背板的顺序进行层叠，并且通过热层压制造微型模块。在热层压加工中，在6分钟的150℃下的真空步骤后，通过将层压机的上下压力之间的差保持在0.4MPa进行交联11分钟。
实验例1：封装物耐久性的评价
为了根据发光氢氧化铝的引入来评价封装物的耐久性，对其中封装物位于制造的微型太阳能模块和两片玻璃板之间的试样进行加速风华试验。对于紫外老化试验，通过将试样暴露在63℃的温度的紫外线灯(340nm，0.9W/m2)下，随着时间的推移观察到(玻璃试样的)总透射率特性和(太阳能微型模块试样的)太阳能电池效率的变化。对于湿热老化试验，通过将试样暴露在温度为85℃和湿度为85％的条件下，随着时间的推移观察到(玻璃试样的)总透射率特性和(太阳能微型模块试样的)太阳能电池效率的变化。使用由WACOM制造的太阳模拟器(WXS-156S-10)来分析太阳能电池效率，使用UltraScan PRO光谱仪(HunterLab)来分析透射率特性。
图8示出了通过将实施例1和2以及对比例1和3的封装物置于两个玻璃基板之间进行热层压的试样的总透射率。双点划线代表EVA试样(对比例1)的总透射率，在整个波长区显示出90％的高透射率，EVA-AlOH 0.1和EVA-AlOH 0.5试样(实施例1和2)在紫外区450nm或以上显示出AlOH(氢氧化铝)吸收峰，并且在可见光区的高透射率为90％，这与EVA试样(对比例1)相似。同时，可以看出EVA-C81(对比例3)在400nm或以上的紫外区的透射率急剧下降。即，如上所述，当使用紫外光吸收剂时，可以通过紫外光阻隔效应来提高封装物的耐久性。然而，400nm或以下的紫外光不能被太阳能电池吸收，并且不能转化为电能，使得初始输出不理想地降低。
图9示出了通过在两个玻璃基板之间引入发光氢氧化铝之前和之后放置封装物进行热层压的试样在紫外老化和湿热老化试验2000小时后的总透射率。图9(a)为紫外老化试验结果，证实实施例1(EVA-AlOH 0.1，虚线)和实施例2(EVA-AlOH 0.5，双点划线)的封装物(其中引入了氢氧化铝)保持与图3的加速试验之前相同的透射率水平，但EVA在400nm或以上的紫外光区的透射率降低。另外，图9(b)示出了湿热老化试验结果，证实实施例1(EVA-AlOH 0.1，虚线)和实施例2(EVA-AlOH 0.5，双点划线)的封装物(其中引入了氢氧化铝)保持与图8的加速试验之前相同的透射率水平，类似于图9(a)的紫外老化试验，但对比例1的EVA具有急剧下降的在400nm或以上的紫外区的透射率，这意味着在400nm或以上的紫外区的光无法通过封装物，因此无法到达太阳能电池，表明太阳能电池无法尽可能多得将光转化为电能。
表2至表4示出了分别根据引入发光氢氧化铝进行耐久性评估之前和之后的微型太阳能模块的电流-电压曲线(I-V曲线)分析确定的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充系数(FF)和效率值。
表2
Figure BDA0003464379960000161
Figure BDA0003464379960000171
在表2中，在风化降解之前，与使用单独使用EVA的封装物的模块相比，使用其中引入了发光氢氧化铝的实施例1的封装物(EVA-AlOH 0.1)和实施例2的封装物(EVA-AlOH0.5)的太阳能模块显示出了在相对效率方面的2.33％和2.68％的提高。即，可以看出，通过引入发光氢氧化铝，太阳能模块的初始效率会根据通过紫外吸收和可见光光致发光的下转换的短路电流密度的增加而增加。
表3
Figure BDA0003464379960000172
此外，根据表3，关于试样在UV老化试验中暴露2000小时后的效率变化，与使用单独使用EVA的封装物的模块相比，使用其中引入了发光氢氧化铝的实施例1的封装物(EVA-AlOH 0.1)和实施例2的封装物(EVA-AlOH 0.5)的太阳能模块显示出了在相对效率提高方面的3.35％和3.59％的提高。即，如上文参考图9所描述的，在单独使用EVA的封装物的情况下(对比例1)，EVA封装物层的透射率随着紫外老化而降低，因此封装物下的太阳能电池的光电流转换效率降低，而在EVA-AlOH 0.1和EVA-AlOH 0.5封装物的情况下，保持了与紫外光老化前相同的透射率水平，从而防止太阳能电池的输出下降。此外，在对比例2至4中，由Ciba制造的Chimassorb 81(2-羟基-4-辛氧基-二苯甲酮)作为紫外光吸收剂添加到EVA中，与单独的EVA封装物(对比例1)相比，EVA-C81 0.1、0.2和0.5的效率分别为0.12％、-0.18％和-1.43％，表明与实施例相比获得了不利的结果。还可以看出，当使用与本发明实施例1和2中的发光氢氧化铝具有相同含量的对比例2和4的封装物时，得到了不期望的结果。
表4
Figure BDA0003464379960000173
Figure BDA0003464379960000181
此外，从表4可以看出，关于试样在湿热老化试验中暴露2000小时后的效率变化，与使用单独使用EVA的封装物的模块相比，使用其中引入了发光氢氧化铝的实施例1的封装物(EVA-AlOH 0.1)和实施例2的封装物(EVA-AlOH 0.5)的太阳能模块显示出了在相对效率方面的5.43％和5.87％的提高。根据引入发光氢氧化铝的相对效率值在湿热老化试验结果中比在紫外老化试验中显示出更大的差异，因为EVA封装物在湿热老化试验中比紫外老化试验中显示出更严重的劣化，并且可以通过发光氢氧化铝的引入来防止劣化，从而保持封装物的透射率。如上所述，本发明提供了一种技术，其中当通过将发光氢氧化铝分散在太阳能封装物中形成太阳能电池和太阳能模块时，通过提高封装物的耐久性来保持封装物层的透射率，从而提高太阳能电池和太阳能模块的长期耐久性，并通过使随时间变化的输出量的降低最小化来确保发电量。
实施例3至6：制造包含太阳能转换材料的封装物片材
将制备例2和4(实施例3和4)中制备的氢氧化铝溶液以及制备例1和3(实施例5和6)中制备的氢氧化铝溶液中的每一种通过使用喷涂法施加到6英寸多晶硅太阳能电池的表面，使其位于硅电池与封装物的界面处。在从光入射到其上的前表面以玻璃/封装层/光伏(PV)电池/封装层/背板的顺序进行层叠，并且然后可以通过层压来制造硅太阳能电池模块。在制造的太阳能电池模块中，近红外发光的氢氧化铝位于封装物与太阳能电池界面之间。构成太阳能电池的太阳能转换材料的组成如表5所示，并且各包括50mg。
对比例5：制造包含发光氢氧化铝的太阳能电池
作为对比，将50mg单独制备的作为氢氧化铝前体的发光氢氧化铝和0.1mg镧系离子乙酸镱(III)水合物的简单混合溶液喷涂在硅电池的表面上。除了制备发光氢氧化铝和乙酸镱(III)水合物的简单混合溶液之外，以与实施例3相同的方式制备太阳能电池。
表5
(单位：mg/ml)
Figure BDA0003464379960000191
实验例2：包含太阳能转换材料的太阳能电池的性能评价
为了分析根据引入发光氢氧化铝的太阳能电池效率的变化，使用由WACOM制造的太阳能模拟器(WXS-156S-10)。此外，为了根据氢氧化铝涂层测量总反射率，使用由Shimadzu制造的UV-3600NIR(具有MPC-3100)，并分析涂层前后的变化。
表6示出了测量涂覆有发光氢氧化铝的6英寸多晶硅太阳能电池的效率的结果。为了提高效率测量的精度，所有太阳能电池的效率都是在施加氢氧化铝之前测量的，并且然后与施加氢氧化铝之后的结果进行比较。以下的太阳能电池1至5分别是在与对应的实施例和对比例的太阳能电池在相同的条件下制造的不包括太阳能转换材料的太阳能电池。
表6
Figure BDA0003464379960000192
在表6中，当施加发光氢氧化铝AlOH、AlOH-NA、AlOH-Yb和AlOH-NA-Yb时，与未涂覆的硅太阳能电池相比，短路电流密度和效率都有所提高。AlOH、AlOH-NA、AlOH-Yb和AlOH-NA-Yb的相对效率变化分别为1.33％、2.27％、3.51％和5.04％，这比AlOH和AlOH-NA的那些更好，掺杂Yb以实现近红外光致发光。具体地，证实当2-萘甲酸与Yb一起掺杂时，相对效率比仅掺杂Yb时更显著提高。
此外，在对比例5中，当通过将用单一氢氧化铝前体合成的发光氢氧化铝(AlOH)和镧系离子乙酸镱(III)水合物的混合溶液喷涂在硅电池表面来制造太阳能电池时，证实相对效率提高了1.29％，这与其中仅涂覆发光氢氧化铝的对比例5的结果相似。这是因为没有发生从发光氢氧化铝至Yb离子的有效能量转移，因此仅实现了发光氢氧化铝的下转换效应，通过这一点明确证实了根据本发明的发光氢氧化铝的光转换效应。
为了验证这种效率的提高，测量了发光氢氧化铝涂层前后的光电流转换效率(或外部量子效率)，并且图10示出了测量表6的太阳能电池#2和实施例4的AlOH-NA-Yb涂覆的电池的外部量子效率变化的结果。
在图10中，虚线代表了表6的太阳能电池#2的外部量子效率光谱，并且实线代表实施例4的AlOH-NA-Yb涂覆的电池的外部量子效率光谱。此外，可以看出，Yb涂覆后，通过下转换，300nm至约500nm的转换效率显著提高。
图11示出了测量表6的太阳能电池#2和实施例4的AlOH-NA-Yb涂覆的电池的总反射率变化的结果。虚线代表涂覆近红外光致发光氢氧化铝之前的总反射率，并且实线代表涂覆AlOH-NA-Yb后的反射光谱。可以看出，涂覆后，在300至500nm和800至1100nm区的反射率下降更多，反射率较低，这对太阳能电池更有利。即，通过在硅太阳能电池表面上涂覆近红外发光氢氧化铝，通过紫外吸收以及可见光和近红外光致发光的下转换效应和抗反射涂层效应(其中近红外发光氢氧化铝的折射率具有在硅太阳能电池表面的折射率与封装物的折射率之间的值(1.5<n氢氧化铝<2.5))，硅太阳能电池的短路电流增加，从而提高了总效率，因此有利于光进入硅太阳能电池。
本发明提供了一种技术，其中当通过将发光氢氧化铝分散在太阳能封装物中形成太阳能电池和太阳能模块时，通过提高封装物的耐久性来保持封装物层的透射率，从而提高太阳能电池和太阳能模块的长期耐久性，并通过使随时间变化的输出量的降低最小化来确保发电量。
实施例7至12：制造包含太阳能转换材料的封装物片材
使用6英寸多晶硅太阳能电池。
将根据制备例3制备的太阳能转换材料溶液通过使用喷涂法涂覆在6英寸硅电池的表面，使其位于硅太阳能电池与封装物之间的界面处。
从光入射到其上的前表面以玻璃/封装物层/太阳能转换材料/太阳能电池/封装物层/背板的顺序将其进行层叠，并且然后可以通过层压来制造硅太阳能电池模块。在制造的太阳能电池模块中，发光氢氧化铝位于封装物与太阳能电池之间的界面处。作为构成太阳能电池的太阳能转换材料的组成，使用上述方法制备的发光氢氧化铝，并且在这些实施例中，使用通过添加芳族环化合物制备的太阳能转换材料，并且在实施例10至12中，除了仅使用发光氢氧化铝而不包括芳族环化合物之外，分别以与实施例7至9中相同的方式制备太阳能电池。太阳能转换材料的含量如下表7所示。
表7
(单位：mg/ml)
实施例7 实施例8 实施例9 实施例10 实施例11 实施例12
太阳能转换材料 8.3 16.6 20 8.3 16.6 20
对比例6
除了通过简单地混合和分散与实施例7相同的量的氢氧化铝前体(20mg/ml)和芳族环化合物3-羟基-2-萘甲酸(2mg/ml)来制备涂层组合物之外，以与实施例7相同的方式制造太阳能电池，然后将涂层组合物置于太阳能电池材料的光接收侧。
实验例3：包含太阳能转换材料的太阳能电池的性能评价
为了分析根据引入发光氢氧化铝的太阳能电池效率的变化，使用了由WACOM制造的太阳能模拟器(WXS-156S-10)，对涂覆氢氧化铝前后的效率变化以及热层压前后的效率变化都进行了测量。此外，为了分析各波长的外部量子效率，使用了由PV Measurement制造的IPCE(QEX10)设备，并观察了涂覆氢氧化铝前后转换效率的变化。此外，根据氢氧化铝涂层的情况，使用了由Shimadzu制造的UV-3600NIR(具有MPC-3100)来测量总反射率，并分析涂覆前后的变化。
表8示出了测量涂有发光氢氧化铝的6英寸多晶硅太阳能电池的效率的结果。为了提高效率测量的精度，所有太阳能电池效率均在施加氢氧化铝之前进行测量，并且然后与施加氢氧化铝后的结果进行比较。以下的太阳能电池5至11分别是在与对应的实施例和对比例的太阳能电池在相同的条件下制造的不包括太阳能转换材料的太阳能电池。
表8
Figure BDA0003464379960000211
Figure BDA0003464379960000221
在表8中，当施用发光氢氧化铝AlOH或AlOH-NA时，与未涂覆的硅太阳能电池相比，短路电流密度和效率都增加。特别地，当施加AlOH-NA时，短路电流密度和效率比施用AlOH时更好。
此外，当通过分别添加AlOH和NA、混合和涂覆来制造太阳能电池时(对比例6)，从NA到AlOH的有效能量转移变得不可行，因此没有获得期望的结果。
为了验证这种效率的增加，测量了氢氧化铝涂覆前后的入射光子-电流效率(IPCE)，图12示出了作为IPCE测量结果的根据波长的光电流转换效率，即，外部量子效率(EQE)光谱。
图12示出了表8中太阳能电池#10(实施例12)和#7(实施例9)的结果。虚线代表涂覆前的EQE光谱，双点划线代表涂覆AlOH时的EQE光谱(实施例12)，并且实线代表涂覆AlOH-NA后的EQE光谱(实施例9)。从图12的结果可以看出，当涂覆发光氢氧化铝后，300nm至约500nm的转换效率通过下转换提高，并且当涂覆AlOH-NA时可以实现比涂覆AlOH时更有效的下转换。
此外，图13示出了测量根据发光氢氧化铝涂层的表7中太阳能电池#10(实施例12)和太阳能电池#7(实施例9)的反射率变化的结果。实线代表涂覆氢氧化铝前的总反射率，双点划线代表涂覆AlOH时的反射光谱，并且虚线代表涂覆AlOH-NA后的反射光谱。可以看出，涂覆后，在300至500nm和800至1100nm区的反射率下降更多。与EQE光谱类似，AlOH-NA在紫外波长区的反射率低于AlOH，有利于太阳能电池。即，通过在硅太阳能电池表面上涂覆发光氢氧化铝，并且通过紫外吸收以及可见光光致发光的下转换效应和抗反射涂层效应(其中近红外发光氢氧化铝的折射率具有在硅太阳能电池表面的折射率与封装物的折射率(1.5<n氢氧化铝<2.5)之间的值)，硅太阳能电池的短路电流增加，从而提高了总效率，因此有利于光进入硅太阳能电池。
本发明提供了一种技术，其中当通过将发光氢氧化铝分散在太阳能封装物中形成太阳能电池和太阳能模块时，通过提高封装物的耐久性来保持封装物层的透射率，从而提高太阳能电池和太阳能模块的长期耐久性，并通过使随时间变化的输出量的降低最小化来确保发电量。

Claims (26)

1.一种太阳能转换材料，包括具有紫外光吸收和可见光光致发光特性的发光氢氧化铝。
2.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述氢氧化铝前体是以下各项中的任一种：一乙酸铝、三乙酸铝、二乙酸铝、铝三乙基铝、三甲基铝、烷醇铝、氯化二乙基铝、硫酸铝、氰化铝、亚硝酸铝、碳酸铝、亚硫酸铝、氢氧化铝、氧化铝、氯酸铝、硫化铝、铬酸铝、三氯化铝、高氯酸铝、硝酸铝、高锰酸铝、碳酸氢铝、磷酸铝、草酸铝、磷酸氢铝、硫代硫酸铝、亚氯酸铝、硫酸氢铝、重铬酸铝、溴化铝、次氯酸铝、氯化铝六水合物、磷酸二氢铝、亚磷酸铝、硫酸铝钾十二水合物、溴酸铝、氮化铝或其衍生物。
3.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述太阳能转换材料包括Al(OH)3、AlOOH、5Al2O3·2H2O或Al2O3结构。
4.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述发光氢氧化铝的尺寸在1nm至1000μm的范围内。
5.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述发光氢氧化铝具有多孔结构。
6.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，进一步包括镧系离子或包含其的衍生物。
7.根据权利要求6所述的太阳能转换材料，其中所述镧系离子能够在近红外、紫外或可见光波长区中发射光。
8.根据权利要求6所述的太阳能转换材料，其中近红外发光镧系离子的前体是选自Yb(镱)、Nd(钕)、Er(铒)、Ho(钬)、Tm(铥)和包含其的衍生物的一种或多种。
9.根据权利要求6所述的太阳能转换材料，其中所述镧系离子前体包含在所述可见光波长区中具有光致发光波长的元素。
10.根据权利要求6所述的太阳能转换材料，其中基于100重量份的所述氢氧化铝前体，所述镧系离子或包含其的衍生物以0.001至10重量份的量被包括。
11.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，进一步包括芳族环化合物或其衍生物。
12.根据权利要求11所述的太阳能转换材料，其中所述芳族环化合物或其衍生物位于距所述氢氧化铝前体或由其衍生的氢氧化铝10nm以内，或由共价键形成。
13.根据权利要求11所述的太阳能转换材料，其中所述芳族环化合物是以下各项中的一种或多种：其中仅碳和氢键合在一起的芳族烃，其中形成环的碳原子中的一些被除碳以外的氧、氮或硫原子取代的芳族杂环化合物，或者其中所述芳族烃和所述芳族杂环化合物分子中的一些氢被官能团取代的衍生物。
14.根据权利要求11所述的太阳能转换材料，其中所述芳族环化合物是以下各项中的一种或多种：呋喃、苯并苯并呋喃、异苯并苯并呋喃、吡咯、吲哚、异吲哚、噻吩、苯并苯并噻吩、苯并苯并噻吩、咪唑、苯并咪唑、嘌呤、吡唑、吲唑、噁唑、苯并噁唑、噁唑异噁唑、苯并噁唑异噁唑、噻唑、苯并苯并噻唑、苯并苯、萘、蒽、吡啶、喹喔啉、吖啶、嘧啶、喹唑啉、哒嗪、噌啉、酞嗪、1,2,3-三嗪、1,2,4-三嗪、1,3,5-三嗪及其衍生物。
15.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述太阳能转换材料的粒径为0.5nm至500μm。
16.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述太阳能转换材料的最大吸收波长为200nm至500nm。
17.根据权利要求1所述的太阳能转换材料，其中所述太阳能转换材料的最大发射波长为450nm至1100nm。
18.一种太阳能电池封装物，包括分散有太阳能转换材料的树脂，其中所述太阳能转换材料是根据权利要求1至17中任一项所述的太阳能转换材料。
19.根据权利要求18所述的封装物，其中所述封装物是厚度为100μm以下的膜的形式。
20.根据权利要求18所述的封装物，其中所述封装物是EVA(乙烯乙酸乙烯酯)、POE(聚烯烃弹性体)、交联的聚烯烃(PO)、TPU(热塑性聚氨酯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、有机硅、有机硅/聚氨酯杂化物或离聚物。
21.根据权利要求18所述的封装物，其中基于100重量份的所述封装物的树脂，所述太阳能转换材料以0.0001至10重量份的量被包括。
22.一种太阳能电池，包括位于阳光入射的所述太阳能电池的前表面上的封装物与所述太阳能电池之间的界面的太阳能转换材料，其中所述太阳能转换材料是权利要求1至17中任一项所述的太阳能转换材料。
23.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中所述太阳能转换材料被涂覆在所述太阳能电池的所述前表面上或所述太阳能电池的所述前表面上的所述封装物的后表面上。
24.根据权利要求23所述的太阳能电池，其中所述涂覆是喷涂或丝网涂覆。
25.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池的所述封装物是EVA(乙烯乙酸乙烯酯)、POE(聚烯烃弹性体)、交联的聚烯烃(PO)、TPU(热塑性聚氨酯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、有机硅、有机硅/聚氨酯杂化物或离聚物。
26.一种太阳能电池，其中根据权利要求18所述的封装物层压在所述太阳能电池的前表面和后表面上，玻璃层压在位于所述太阳能电池的所述前表面的所述封装物的前表面上，并且背板层压在位于所述太阳能电池的所述后表面的所述封装物的后表面上。
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