這種封裝膠膜與Nature晶硅異質結太陽能電池更配

第一作者：楊鄭峰

通訊作者：李陽、邵宗平

通訊單位：江蘇科技大學、科廷大學（澳大利亞）

論文DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112373

第一作者：李陽、汝小寧、楊苗、鄭雨荷

通訊作者：陳代芬、許俊華、晏超、李振國、徐希翔、邵宗平

通訊單位：江蘇科技大學、隆基綠能科技股份有限公司、科廷大學（澳大利亞）

論文DOI: 10.1038/s41586-023-06948-y

【全文速覽】

2024年2月1日，江蘇科技大學李陽教授團隊與隆基中央研究院徐希翔博士團隊合作在Nature期刊上發表了題為“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”的最新研究成果。該工作打破了人們對晶硅太陽能電池厚重、易碎的傳統印象，通過詳細的機理研究與技術革新，首次報道了具有高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質結太陽能電池。認證的5項效率紀錄分別為26.06% (57 μm)、26.19% (74 μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)和26.81% (125μm)。

然而，如何在高溫、高濕和強紫外光的影響下保持甚至提高太陽能電池的性能一直是一個具有挑戰性的研究課題。在這里，江蘇科技大學李陽教授團隊與常州斯威克光伏新材料有限公司合作，提出了一種新穎有效的解決方案，通過結合EVA（乙烯醋酸乙烯），POE（聚烯烴）和紫外線下轉換（UV-DC）熒光納米材料（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）的優點，構建了可商用的具有三層復合結構的UV-DC EPE共擠封裝膜。一方面，UV-DC EPE融合了EVA的高粘接強度和POE的強耐候性；另一方面，UV-DC EPE還能夠將發電效率低且容易損壞太陽能電池的紫外線輻照轉化為量子效率高的可見光范圍。因此，我們發現UV-DC EPE不僅在電位誘導降解（PID）、壓力鍋測試（PCT）、紫外線和自然日光老化測試中比其他封裝膜表現出更高的穩定性，而且與透射紫外EPE和濾紫外EPE相比，其發電效率分別提高了0.3%和2.3%。本工作的進展打破了封裝只減緩衰減的刻板定義，將功率增益效應、高穩定性、低成本等優勢融入到新型封裝材料和技術中。

【背景介紹】

太陽能電池長期以來一直是太陽能利用的主導策略，預計到2022年全球光伏裝機容量將達到260 GW。然而，太陽能電池在高溫、高濕和紫外線下較為脆弱，這些因素會腐蝕電池并降低其效率和壽命。因此，為了保障太陽能電池的長期穩定運行，開發出優異的封裝材料和封裝技術顯得尤為重要。

由于工業化的p型PERC太陽能電池已經接近24%的理論功率轉換效率（PCE）極限，具有更高轉換效率的新型n型異質結（HJT）太陽能電池受到越來越多的關注。然而，一方面，由于采用非晶硅和微晶硅（a-Si和μc-Si）層作為鈍化層和發射體，HJT太陽能電池對紫外光更敏感；另一方面，與傳統的PERC太陽能電池相比，HJT太陽能電池表面的透明導電氧化物（TCO）層導致與聚合物封裝膜的粘附性較弱。因此，迫切需要根據HJT特性開發出具有針對性的太陽能電池封裝策略，實現高輸出功率、高穩定性和低成本。

【圖文導讀】

目前，EVA和POE是太陽能電池最常用的封裝材料。EVA的優點包括成本低、易于加工和與底物的高附著力，然而，缺點通常表現為容易水解、變黃，并且產生的乙酸經常導致鈉離子遷移和潛在誘導降解（PID）衰減。而POE的電阻率高，抗PID性能好，透氣性低，耐候性好，但容易出現添加劑分離和脫膠現象。為滿足高效HJT太陽能電池的防護需求，我們研發了一種新型的由三層復合結構組成的UV-DC EPE封裝膜（EVA-POE-EVA），如圖1所示，中間POE形成防潮屏障，將效率損失的風險降至最低，兩側應用EVA保證了電池表面和襯底的良好粘附。同時，0.3%的稀土UV-DC熒光納米粒子（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）均勻分布在EPE共擠膜中，將有害的紫外光轉化為可用的可見光。硅酸鹽比其他下轉化體系（硫化物和鋁酸鹽）更穩定，更耐水解。Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺激發波長主要局限于紫外區，對可見光入射影響不大，而發射光譜對應于HJT太陽能電池的量子效率，接近短波可見光。因此，它是一種優良的添加劑，被選為HJT太陽能電池封裝劑。

圖1. 新型UV下轉換EPE共擠封裝膜的特性及應用示意圖

共擠過程如圖2a所示，半透明的EPE膜經過層壓后迅速變得透明。透射光譜表明，普通EPE和UV-DC EPE在可見光-紅外光譜范圍內都具有較高的透射率（>91%）（圖2b），這表明添加UV-DC納米粒子并沒有影響基本特性，甚至在圖2b的插圖中，薄膜太透明而沒有被注意到。普通EPE可以透射235-400 nm范圍內的大部分紫外光，而UV-DC EPE可以有效阻擋200-400 nm范圍內的紫外光透射，從圖2c和d中可以清楚地看到，UV-DC EPE中的熒光粉吸收了紫外光，并產生了較寬的可見光發射（400-800 nm），以藍光為主，峰值強度為471 nm。結果，UV-DC EPE封裝的太陽能電池在紫外燈下呈現出可見的藍色。兩種封裝膜的差異在自然光照下也可以觀察到，封裝在透射紫外EPE中的太陽能電池呈現黑色（圖2e），封裝在UV-DC EPE中的太陽能電池呈現藍色（圖2f）。

圖2. (a) 三層復合UV-DC EPE的共擠工藝過程；(b) 透射紫外的EPE和UV-DC EPE的透射光譜；(c) UV-DC EPE的激發光譜。(d) UV-DC EPE的發射光譜。(e), (f) 用透射紫外的EPE和UV-DC EPE封裝后的太陽能電池的照片。

進一步地，對UV-DC EPE中POE的含量進行了研究和優化。增加POE含量可以有效提高EPE封裝膜的抗黃變效果，如圖3a所示，老化前共擠膜的黃變指數差異不大，在1.4 ~ 1.7之間，濕熱老化后，POE含量高的膜黃變指數明顯低于POE含量低的膜黃變指數。但值得注意的是，POE過多又產生了一個新問題，如圖3b所示，隨著POE含量的增加，UV-DC EPE與襯底之間的剝離強度先增大后減小，這是由于EVA含量高導致交聯過高（>90），剝離強度較低，而隨著POE含量的增加，交聯達到一個合適的范圍(82-88)。隨著POE含量的進一步增加，受過量POE的影響，交聯減小（<80），導致剝離強度呈下降趨勢。最終發現，當POE含量為37%時，UV-DC EPE的襯底剝離強度最高，這為太陽能電池的高耐久性提供了保證，并且在老化試驗后仍保持了這一優勢。在橫截面顯微鏡照片中可以清晰地看到共擠膜的層狀結構（圖3c），層壓后的總厚度約為450 μm。POE的不足除了會造成發黃、抗剝落強度低的問題外，還會嚴重引發縮孔氣泡（圖3d），導致脫粘嚴重，粘結性低。

圖3. POE含量對(a)黃化指數和(b)剝離強度的影響；(c) UV-DC EPE共擠封裝膜的橫截面顯微鏡照片；(d) 用不同POE含量的UV-DC EPE封裝的太陽能電池的照片。

隨后，用不同類型的封裝膜對HJT太陽能電池進行封裝和老化，檢測其防護性能。從圖4a可以看出，經過192 h（85 ℃，85% RH）后，EVA和POE膜對PID老化的功率衰減分別達到2.0%和12%。POE在HJT電池上的表現不佳，因為頂部TCO層的附著力較弱，老化后剝離強度僅為1.5 N/mm。盡管POE在PERC和TOPCon電池上表現出良好的封裝性能，剝離強度大于5 N/mm（圖4b）。相比之下，UV-DC EPE封裝僅損失0.77%，可以推斷出良好的耐高溫、高濕和離子遷移的保護性能。當然，也可以在普通EPE中加入紫外線過濾劑來切斷紫外線的影響。如圖4c所示，雖然濾紫外EPE與普通透射紫外EPE相比可以減緩衰減，但由于紫外入射能量的損失，電池組件的輸出功率受到很大影響。相比之下，我們可以觀察到UV-DC EPE封裝的HJT太陽能電池的絕對輸出最高也最穩定，初始輸出為89.9 W，分別比透射紫外EPE和濾紫外EPE高0.3%和2.3%。通過下轉換技術獲得更高的能量輸出能力歸因于盡管在下轉換過程中不可避免地存在能量耗散，但HJT太陽能電池在400-800 nm可見光范圍內的量子效率高于200-400 nm紫外范圍。與圖4c一致，透射紫外EPE封裝的輸出衰減速率比UV-DC EPE封裝快得多。最后，我們探索了封裝電池在AM 1.5G模擬陽光下連續30天的穩定性。自然太陽光譜中的紫外光雖然只占總能量的5%，但也會造成長期的、逐漸的功率退化，如圖4d所示。采用UV-DC EPE封裝的HJT太陽能電池在模擬陽光照射30天后效率下降0.46%，而采用UV-DC EPE保護的對照電池在30天后效率僅下降0.07%，第10天以后幾乎沒有功率損失。

圖4. (a) PID老化下各種封裝膜的對比；(b) POE在各種太陽能電池上的剝離強度；(c) 紫外老化下輸出功率的變化；(d) 模擬AM 1.5G陽光照射下的功率衰減。

濕熱（DH）和濕凍（HF）老化試驗按照IEC 61215:2021進行（經過DH 1000 h, HF 10次循環后功率衰減小于5%）。圖5的結果表明，UV-DC EPE的防護效果優于標準要求，在DH 1800 h、HF 60次循環后，功率衰減仍小于5%。最后，對經過UV、DH、HF老化試驗的UV-DC EPE進行熒光顯微鏡和掃描電鏡觀察（圖5c），結果顯示UV-DC納米粒子在EPE基體中的分散保持均勻，顆粒沒有聚集，平均粒徑為500-600 nm，為運行可靠性奠定了基礎。

圖5. 用UV-DC EPE封裝的HJT電池的(a)濕熱老化和(b)濕凍老化試驗；(c)老化后UV-DC EPE基質的熒光顯微鏡和掃描電鏡圖像。

【總結與展望】

我們設計并開發出了一種前所未有的UV-DC EPE共擠封裝膜，它不僅具有EVA的粘接強度和POE的耐候性，而且還具有抗紫外線損傷的能力。更值得一提的是，UV-DC EPE可將400-800 nm范圍內的紫外線輻照轉換為可見光，與透射紫外EPE和濾紫外EPE相比，功率增益分別為0.3%和2.3%。迄今為止，新型UV-DC EPE是一種可廣泛應用于封裝紫外光敏感型光電器件的材料，具有發電收益高、穩定性好、成本低等諸多優點。

【課題組介紹】

李陽，博士，教授，現任江蘇科技大學科學技術研究院副院長。分別于廈門大學化學化工學院獲學士學位（2010年），天津大學化工學院獲博士學位（2015年），期間受國家留學基金委公派前往瑞士聯邦洛桑理工學院（EPFL）進行博士研究生的聯合培養。入選江蘇省“333高層次人才培養工程”、鎮江市“青年科技人才托舉工程”、榮獲全省高校、科研院所節約創效“金點子”、江蘇省科技鎮長團榮譽團員，鎮江市科技創新先進個人、優秀論文專著等榮譽與稱號。目前，已經在Nature, npj Flexible Electronics, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications等雜志發表論文20余篇。兼職擔任西安交通大學泓芽生命生態研究院首席科學家，《稀有金屬》期刊青年編委。課題組主要從事主要從事能源化學、光伏技術、“雙碳”領域研究，具有充足的科研經費、實驗室空間和全新的實驗設備，歡迎報考碩士、博士，申請聯培研究生、科研助理和博士后。

邵宗平，博士，南京工業大學特聘教授、澳大利亞科廷大學約翰·柯廷杰出教授、材料化學工程國家重點實驗室教授，博士生導師。曾獲國家自然科學基金杰出青年基金，國家重要人才計劃、江蘇省“333高層次人才培養工程”（第二層次）、江蘇省6大人才高峰（A類）、教育部新世紀優秀人才計劃、霍英東青年基金。致力于新型高效能源材料與技術開發，具體包括燃料電池、太陽能電池、鋰/鈉離子電池、光催化、電催化、水處理、混合導體透氧膜等領域的研究，在固體氧化物燃料電池關鍵材料方面取得突破性進展。主持或參與國家自然科學基金、國家重點研發項目、“863”項目等近20項科研項目。以第一完成人榮獲教育部自然科學獎二等獎等省部級獎勵3項。授權發明專利36項，轉讓專利8項。目前在Nature、Science、Nature Energy、Nature Communications、Science Advance等國際權威期刊發表論文700余篇，出版專著1本以及另外4本書中的重要章節。分別于2014、2017-2021年入選全球高被引科學家，2015-2021年連續入選愛思唯爾中國高被引學者。是國際期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主編，是Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料導報、熱科學與技術等學術期刊編委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊的顧問編委。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024823001940?via%3Dihub

歡迎在材料、化學、能源、物理、工程技術等相關領域引用該研究成果：

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.