目前，全世界每年生产的85%以上的光伏组件为晶体硅光伏组件，晶体硅光伏组件之所以能够占据绝大部分的市场份额是由该种光伏组件的长寿命、来源丰富以及无毒等特点所决定的。
硅基太阳能电池的电池效率一般在15%~23%，2022年11月，隆基绿能自主研发的硅异质结电池转换效率达26.81%。距离Shockley-Queisser单节太阳能电池的理论极限效率31%还有一定距离。
这是因为目前晶体硅太阳能电池主要吸收400~1100nm左右的光，对400nm以下的光(即紫光和紫外光)的量子效率很低。
同时，单晶硅对长波长的响应较好。在600nm波长的光照下，电池的短路电流相比于使用400nm波长照射可提高3~4倍。
因此，通过合理手段充分利用400nm以下的太阳光能，将其转换为400nm以上的长波光可以有效提升太阳能电池的光电转换效率。
此外，将下转换发光材料加入到太阳能封装胶膜中，还可以降低封装胶膜在室外环境下的老化速度，提高太阳能电池组件的寿命。
从上世纪80年代开始，国内已有科研院所开始研发EVA封装材料，经由多年发展，目前国内生产的EVA封装胶膜的性能已能达到较高水平，解决了常年依赖进口的局面。
从2007年起，我国光伏组件产量已居世界前列，降低制造成本是太阳能电池扩大应用规模的关键，而提高光电转换效率是降低成本的有效途径，据了解，转换效率提高1%，成本会降低7%。
EVA材料是一种常见的太阳能电池封装材料，其具有结晶度低、柔韧性和极性较高的特点。
因此，将有机稀土发光材料和EVA胶膜结合，在保证了封装材料原有的使用性能的情况下，额外提供了光转换功能，在起到对太阳能电池的保护作用的同时，有望进一步提升太阳能电池的光电转换效率。
首先，对转光材料与制备的光转换EVA胶膜的发光性能进行了研究。
图1 光转换材料R-1及R-1/EVA光转换胶膜的荧光激发和发射光谱
图1a为光转换材料R-1与光转换EVA胶膜(R-1质量分数0.2%)的荧光激发光谱，可以发现R-1材料和添加了R-1的光转换EVA胶膜在紫外光(300~400nm)波段都能够很好地被激发。
图1b是R-1与光转换EVA胶膜的荧光发射光谱，可以发现两者荧光发射光谱基本一致，两者的最大发射波长均为615nm。
图2 含有不同添加量R-1的光转换EVA胶膜的相对荧光强度
图2为不同R-1质量分数的光转换EVA膜在相同激发光条件情况下在615nm波长处荧光强度的变化曲线。可以发现光转换EVA胶膜的荧光强度呈现出递增的趋势。
图3 光转换EVA胶膜365nm紫外灯下的数码照片2.2光转换EVA胶膜透光率测试
图3为光转换EVA胶膜(R-1质量分数0.4%)在365nm波长紫外光照射下的照片，可以看出光转换EVA胶膜有非常好的透明性，并且在365nm紫外光照射下发出强烈的红光。
同时，可以看到转光剂添加量大于0.2%(质量分数)后，胶膜可以观察到比较严重的团聚现象，因此转光剂的添加量不宜大于0.2%。
太阳能发电利用光伏材料将太阳能转换为电能，这意味着光伏材料需要最大范围地吸收太阳辐射。
因此，粘附在外层玻璃上充当光伏材料保护层的EVA胶膜对透光率有极高的要求。
同时，EVA胶膜的老化受紫外光影响是最大的，在加工过程中EVA结构会发生很大的变化，进而产生新的UV生色团，导致EVA胶膜颜色发生变化，降低EVA胶膜的透光率。
目前主要的解决方法是在共混的过程中加入紫外光吸收剂来降低紫外光对EVA胶膜的影响，但这也会造成一定程度上的能量浪费。
图4 纯EVA胶膜和含有不同浓度R-1的光转换EVA胶膜的透过率曲线
图4是各种配方制成胶膜后在可见光区和紫外区透光率的对比结果，可以发现加入转光剂后EVA胶膜在可见光区透光率会有略微下降，但仍能达到≥91%的标准。
同时，加入转光剂后EVA胶膜在紫外光区的透光率有显著地降低，即添加后EVA胶膜有明显的紫外区的吸收，且随着转光剂添加量的提高，EVA胶膜在紫外光区的吸收也会随之提高。
紫外光经转光剂转换成可以被光伏材料响应的可见光，从而降低了紫外光对太阳能电池组件的影响，提高了太阳能电池的效率。
为了分析加入有机稀土光转换材料的硅基太阳能电池光电转换效率的变化，进行了太阳能电池的外量子效率(EQE)测试，测试方法如图5所示。
EQE的定义是每个波长下太阳能电池携带的电子与太阳能电池表面的光子的数目比。
仅使用纯EVA胶膜以及使用了不同质量分数的R-1质量分数的光转换EVA胶膜(从0.1%到0.4%)的太阳能电池组件的EQE曲线如图6所示。
图6 贴覆纯EVA胶膜以及光转换EVA胶膜的太阳能电池组件量子效率曲线
表1 光转换EVA膜的I-V测试数据
从图表中可以看出，在300~400nm波段的紫外光区，使用了光转换EVA胶膜后，贴覆了光转换EVA胶膜的电池组件量子效率有约5%的提升。
同时，太阳能电池在紫外波段的相应强度随着R-1的添加量提高而增大，但增速在添加量超过0.2%后明显放缓。这事因为添加量超过0.2%后，R-1在EVA胶膜中有较明显的团聚现象，从而导致光转换EVA胶膜的量子效率较理想值有所降低。
同时，在可见光区，是否添加转光剂R-1对太阳能电池的量子效率并无明显影响。这是因为光转换EVA胶膜在可见光区有着优异的透光率，R-1材料的加入并没有影响电池对可见光的吸收。
使用不同添加量的光转换EVA胶膜的太阳能电池的开路电压(Voc)、短路电流密度(JSC)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)的测试数据如表1所示。
可以看到，对于覆盖了光转换EVA膜的太阳能电池组件其PCE呈现出先逐渐增大后又减小的趋势，在添加R-1的质量分数为0.2%时，太阳能电池的PCE达到最大值13.94%，相对于使用纯EVA胶膜时提升幅度达到1.08%。
R-1添加量继续提升而PCE下降的可能原因是当R-1质量分数从0.3%提升到0.4%后，R-1的浓度过高产生团聚现象，进而影响了透光率最终导致了光电转换效率的下降。
综上所述，光转换EVA胶膜能在一定程度上提升太阳能电池的光电转换性能。
由于太阳能需要长期在户外使用，因此光转化材料的耐紫外老化性能也是其是否能够推广应用的关键因素。
将R-1光转换EVA胶膜(质量分数0.2%)放在UVA340紫外灯管辖进行耐紫外线老化测试，该灯管的波长主要分布在300~400nm之间，且在340nm处未最高发射波长，灯管的辐射强度为10W/m2。
每间隔4小时使用荧光光谱仪测试光转换EVA胶膜在615nm处发射峰强度随辐照时间的变化情况，如图7所示。
图7 R-1/EVA胶膜(R-1添加量为0.2%)在紫外光加速老化过程中相对荧光强度随时间的变化
从图中可以看出，光转换EVA胶膜有较优秀的光稳定性，在紫外线辐照时间达到100h的条件下，光转换EVA胶膜的荧光发射强度仍在50%以上，光转换EVA胶膜的发射光谱与加速老化试验前没有明显变化。
因此，对于需要长期在户外应用的太阳能电池而言，使用这种有机稀土发光材料作为转光剂具有一定的开发前景。
将有机稀土发光材料R-1引入EVA基材中后，R-1的发光性能并不会有显著变化，在紫外光区仍有比较强的吸收。
添加转光剂后，EVA胶膜在可见光区的透光率并没有明显变化，仍然能够满足太阳能电池封装胶膜的要求。
同时，光转换EVA胶膜在紫外光区的透光率大幅降低，足以起到与紫外吸收剂相似的作用，能够对太阳能电池组件起到保护作用。
同时该波长的紫外光可激发转光剂发出太阳能电池响应能力更强的红光(波长615nm)，从而提高了对太阳光能的利用率，提高了了太阳能电池的光电转换效率。
添加转光剂后，覆盖有光转换EVA膜的太阳能电池的PCE可从覆盖纯EVA膜的太阳能电池的13.81%最高提升至13.94%，能够实现提升太阳能电池光电转换效率的目的。
该光转换EVA膜在耐紫外线加速老化中也表现出了较好的光稳定性，具有应用于高效率长寿命太阳能电池组件的潜力。
来源：一种新型光转换太阳能电池封装胶膜的制备和性能评价
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：一种新型光转换太阳能电池封装胶膜
