这种封装胶膜与Nature晶硅异质结太阳能电池更配

第一作者：杨郑峰

通讯作者：李阳、邵宗平

通讯单位：江苏科技大学、科廷大学（澳大利亚）

论文DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112373

第一作者：李阳、汝小宁、杨苗、郑雨荷

通讯作者：陈代芬、许俊华、晏超、李振国、徐希翔、邵宗平

通讯单位：江苏科技大学、隆基绿能科技股份有限公司、科廷大学（澳大利亚）

论文DOI: 10.1038/s41586-023-06948-y

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2024年2月1日，江苏科技大学李阳教授团队与隆基中央研究院徐希翔博士团队合作在Nature期刊上发表了题为“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”的最新研究成果。该工作打破了人们对晶硅太阳能电池厚重、易碎的传统印象，通过详细的机理研究与技术革新，首次报道了具有高柔韧性、高功率重量比的晶硅异质结太阳能电池。认证的5项效率纪录分别为26.06% (57 μm)、26.19% (74 μm)、26.50% (84 μm)、26.56% (106 μm)和26.81% (125μm)。

然而，如何在高温、高湿和强紫外光的影响下保持甚至提高太阳能电池的性能一直是一个具有挑战性的研究课题。在这里，江苏科技大学李阳教授团队与常州斯威克光伏新材料有限公司合作，提出了一种新颖有效的解决方案，通过结合EVA（乙烯醋酸乙烯），POE（聚烯烃）和紫外线下转换（UV-DC）荧光纳米材料（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）的优点，构建了可商用的具有三层复合结构的UV-DC EPE共挤封装膜。一方面，UV-DC EPE融合了EVA的高粘接强度和POE的强耐候性；另一方面，UV-DC EPE还能够将发电效率低且容易损坏太阳能电池的紫外线辐照转化为量子效率高的可见光范围。因此，我们发现UV-DC EPE不仅在电位诱导降解（PID）、压力锅测试（PCT）、紫外线和自然日光老化测试中比其他封装膜表现出更高的稳定性，而且与透射紫外EPE和滤紫外EPE相比，其发电效率分别提高了0.3%和2.3%。本工作的进展打破了封装只减缓衰减的刻板定义，将功率增益效应、高稳定性、低成本等优势融入到新型封装材料和技术中。

【背景介绍】

太阳能电池长期以来一直是太阳能利用的主导策略，预计到2022年全球光伏装机容量将达到260 GW。然而，太阳能电池在高温、高湿和紫外线下较为脆弱，这些因素会腐蚀电池并降低其效率和寿命。因此，为了保障太阳能电池的长期稳定运行，开发出优异的封装材料和封装技术显得尤为重要。

由于工业化的p型PERC太阳能电池已经接近24%的理论功率转换效率（PCE）极限，具有更高转换效率的新型n型异质结（HJT）太阳能电池受到越来越多的关注。然而，一方面，由于采用非晶硅和微晶硅（a-Si和μc-Si）层作为钝化层和发射体，HJT太阳能电池对紫外光更敏感；另一方面，与传统的PERC太阳能电池相比，HJT太阳能电池表面的透明导电氧化物（TCO）层导致与聚合物封装膜的粘附性较弱。因此，迫切需要根据HJT特性开发出具有针对性的太阳能电池封装策略，实现高输出功率、高稳定性和低成本。

【图文导读】

目前，EVA和POE是太阳能电池最常用的封装材料。EVA的优点包括成本低、易于加工和与底物的高附着力，然而，缺点通常表现为容易水解、变黄，并且产生的乙酸经常导致钠离子迁移和潜在诱导降解（PID）衰减。而POE的电阻率高，抗PID性能好，透气性低，耐候性好，但容易出现添加剂分离和脱胶现象。为满足高效HJT太阳能电池的防护需求，我们研发了一种新型的由三层复合结构组成的UV-DC EPE封装膜（EVA-POE-EVA），如图1所示，中间POE形成防潮屏障，将效率损失的风险降至最低，两侧应用EVA保证了电池表面和衬底的良好粘附。同时，0.3%的稀土UV-DC荧光纳米粒子（Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺）均匀分布在EPE共挤膜中，将有害的紫外光转化为可用的可见光。硅酸盐比其他下转化体系（硫化物和铝酸盐）更稳定，更耐水解。Sr_2-xMgSi₂O_7-x: Eu²⁺, Dy³⁺激发波长主要局限于紫外区，对可见光入射影响不大，而发射光谱对应于HJT太阳能电池的量子效率，接近短波可见光。因此，它是一种优良的添加剂，被选为HJT太阳能电池封装剂。

图1. 新型UV下转换EPE共挤封装膜的特性及应用示意图

共挤过程如图2a所示，半透明的EPE膜经过层压后迅速变得透明。透射光谱表明，普通EPE和UV-DC EPE在可见光-红外光谱范围内都具有较高的透射率（>91%）（图2b），这表明添加UV-DC纳米粒子并没有影响基本特性，甚至在图2b的插图中，薄膜太透明而没有被注意到。普通EPE可以透射235-400 nm范围内的大部分紫外光，而UV-DC EPE可以有效阻挡200-400 nm范围内的紫外光透射，从图2c和d中可以清楚地看到，UV-DC EPE中的荧光粉吸收了紫外光，并产生了较宽的可见光发射（400-800 nm），以蓝光为主，峰值强度为471 nm。结果，UV-DC EPE封装的太阳能电池在紫外灯下呈现出可见的蓝色。两种封装膜的差异在自然光照下也可以观察到，封装在透射紫外EPE中的太阳能电池呈现黑色（图2e），封装在UV-DC EPE中的太阳能电池呈现蓝色（图2f）。

图2. (a) 三层复合UV-DC EPE的共挤工艺过程；(b) 透射紫外的EPE和UV-DC EPE的透射光谱；(c) UV-DC EPE的激发光谱。(d) UV-DC EPE的发射光谱。(e), (f) 用透射紫外的EPE和UV-DC EPE封装后的太阳能电池的照片。

进一步地，对UV-DC EPE中POE的含量进行了研究和优化。增加POE含量可以有效提高EPE封装膜的抗黄变效果，如图3a所示，老化前共挤膜的黄变指数差异不大，在1.4 ~ 1.7之间，湿热老化后，POE含量高的膜黄变指数明显低于POE含量低的膜黄变指数。但值得注意的是，POE过多又产生了一个新问题，如图3b所示，随着POE含量的增加，UV-DC EPE与衬底之间的剥离强度先增大后减小，这是由于EVA含量高导致交联过高（>90），剥离强度较低，而随着POE含量的增加，交联达到一个合适的范围(82-88)。随着POE含量的进一步增加，受过量POE的影响，交联减小（<80），导致剥离强度呈下降趋势。最终发现，当POE含量为37%时，UV-DC EPE的衬底剥离强度最高，这为太阳能电池的高耐久性提供了保证，并且在老化试验后仍保持了这一优势。在横截面显微镜照片中可以清晰地看到共挤膜的层状结构（图3c），层压后的总厚度约为450 μm。POE的不足除了会造成发黄、抗剥落强度低的问题外，还会严重引发缩孔气泡（图3d），导致脱粘严重，粘结性低。

图3. POE含量对(a)黄化指数和(b)剥离强度的影响；(c) UV-DC EPE共挤封装膜的横截面显微镜照片；(d) 用不同POE含量的UV-DC EPE封装的太阳能电池的照片。

随后，用不同类型的封装膜对HJT太阳能电池进行封装和老化，检测其防护性能。从图4a可以看出，经过192 h（85 ℃，85% RH）后，EVA和POE膜对PID老化的功率衰减分别达到2.0%和12%。POE在HJT电池上的表现不佳，因为顶部TCO层的附着力较弱，老化后剥离强度仅为1.5 N/mm。尽管POE在PERC和TOPCon电池上表现出良好的封装性能，剥离强度大于5 N/mm（图4b）。相比之下，UV-DC EPE封装仅损失0.77%，可以推断出良好的耐高温、高湿和离子迁移的保护性能。当然，也可以在普通EPE中加入紫外线过滤剂来切断紫外线的影响。如图4c所示，虽然滤紫外EPE与普通透射紫外EPE相比可以减缓衰减，但由于紫外入射能量的损失，电池组件的输出功率受到很大影响。相比之下，我们可以观察到UV-DC EPE封装的HJT太阳能电池的绝对输出最高也最稳定，初始输出为89.9 W，分别比透射紫外EPE和滤紫外EPE高0.3%和2.3%。通过下转换技术获得更高的能量输出能力归因于尽管在下转换过程中不可避免地存在能量耗散，但HJT太阳能电池在400-800 nm可见光范围内的量子效率高于200-400 nm紫外范围。与图4c一致，透射紫外EPE封装的输出衰减速率比UV-DC EPE封装快得多。最后，我们探索了封装电池在AM 1.5G模拟阳光下连续30天的稳定性。自然太阳光谱中的紫外光虽然只占总能量的5%，但也会造成长期的、逐渐的功率退化，如图4d所示。采用UV-DC EPE封装的HJT太阳能电池在模拟阳光照射30天后效率下降0.46%，而采用UV-DC EPE保护的对照电池在30天后效率仅下降0.07%，第10天以后几乎没有功率损失。

图4. (a) PID老化下各种封装膜的对比；(b) POE在各种太阳能电池上的剥离强度；(c) 紫外老化下输出功率的变化；(d) 模拟AM 1.5G阳光照射下的功率衰减。

湿热（DH）和湿冻（HF）老化试验按照IEC 61215:2021进行（经过DH 1000 h, HF 10次循环后功率衰减小于5%）。图5的结果表明，UV-DC EPE的防护效果优于标准要求，在DH 1800 h、HF 60次循环后，功率衰减仍小于5%。最后，对经过UV、DH、HF老化试验的UV-DC EPE进行荧光显微镜和扫描电镜观察（图5c），结果显示UV-DC纳米粒子在EPE基体中的分散保持均匀，颗粒没有聚集，平均粒径为500-600 nm，为运行可靠性奠定了基础。

图5. 用UV-DC EPE封装的HJT电池的(a)湿热老化和(b)湿冻老化试验；(c)老化后UV-DC EPE基质的荧光显微镜和扫描电镜图像。

【总结与展望】

我们设计并开发出了一种前所未有的UV-DC EPE共挤封装膜，它不仅具有EVA的粘接强度和POE的耐候性，而且还具有抗紫外线损伤的能力。更值得一提的是，UV-DC EPE可将400-800 nm范围内的紫外线辐照转换为可见光，与透射紫外EPE和滤紫外EPE相比，功率增益分别为0.3%和2.3%。迄今为止，新型UV-DC EPE是一种可广泛应用于封装紫外光敏感型光电器件的材料，具有发电收益高、稳定性好、成本低等诸多优点。

【课题组介绍】

李阳，博士，教授，现任江苏科技大学科学技术研究院副院长。分别于厦门大学化学化工学院获学士学位（2010年），天津大学化工学院获博士学位（2015年），期间受国家留学基金委公派前往瑞士联邦洛桑理工学院（EPFL）进行博士研究生的联合培养。入选江苏省“333高层次人才培养工程”、镇江市“青年科技人才托举工程”、荣获全省高校、科研院所节约创效“金点子”、江苏省科技镇长团荣誉团员，镇江市科技创新先进个人、优秀论文专著等荣誉与称号。目前，已经在Nature, npj Flexible Electronics, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications等杂志发表论文20余篇。兼职担任西安交通大学泓芽生命生态研究院首席科学家，《稀有金属》期刊青年编委。课题组主要从事主要从事能源化学、光伏技术、“双碳”领域研究，具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

邵宗平，博士，南京工业大学特聘教授、澳大利亚科廷大学约翰·柯廷杰出教授、材料化学工程国家重点实验室教授，博士生导师。曾获国家自然科学基金杰出青年基金，国家重要人才计划、江苏省“333高层次人才培养工程”（第二层次）、江苏省6大人才高峰（A类）、教育部新世纪优秀人才计划、霍英东青年基金。致力于新型高效能源材料与技术开发，具体包括燃料电池、太阳能电池、锂/钠离子电池、光催化、电催化、水处理、混合导体透氧膜等领域的研究，在固体氧化物燃料电池关键材料方面取得突破性进展。主持或参与国家自然科学基金、国家重点研发项目、“863”项目等近20项科研项目。以第一完成人荣获教育部自然科学奖二等奖等省部级奖励3项。授权发明专利36项，转让专利8项。目前在Nature、Science、Nature Energy、Nature Communications、Science Advance等国际权威期刊发表论文700余篇，出版专著1本以及另外4本书中的重要章节。分别于2014、2017-2021年入选全球高被引科学家，2015-2021年连续入选爱思唯尔中国高被引学者。是国际期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编，是Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料导报、热科学与技术等学术期刊编委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊的顾问编委。

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

欢迎在材料、化学、能源、物理、工程技术等相关领域引用该研究成果：

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.