高增益PV封裝材料技術

刊登日期:2017/6/5
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良好的封裝材料需具備有高機械強度、接著性佳、強耐候性、高穿透度及高絕緣性等特性。目前太陽能封裝材料以EVA(Ethylene Vinyl Acetate)為主流,是以乙酸-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate Co-polymer)為原料,加入各種不同的配方以熱壓製膜成型,達到太陽能模組的各項要求。

上/下頻譜轉換之太陽電池
太陽電池中因為矽的能隙為1.12 eV,相對於可見光區,400 nm以下的紫外光與1,200 nm以上的紅外光之吸收能力差。因此光轉換方式就有兩種,一個是將能量較低的紅外光轉換成能量較高、波長較短的可見光:頻譜朝上轉換型(Up Conversion);另一種是將能量較高的紫外光轉為能量較低、波長較長的可見光:頻譜朝下轉換型(Down Conversion)。由於入射光子會依能量高低順序,先後被材料吸收,短波長的光會先被吸收,長波長的光穿透度較深,最後才會被吸收,所以朝上與朝下的轉換層搭配太陽電池時,必須置放於不同的位置。目前最常使用也最適合量產的為螢光薄膜的導入,稀土螢光材料為被廣泛研究及應用的材料之一。

在朝上轉換的太陽電池部分,螢光材料吸收具高能量的電子或光子,並躍遷至激發態,如圖四所示。2010年,Shan et al.用具有向上轉換性能之微米級稀土材料Er3+/Yb3+搭配上LaF3及TiO2,成功地捕捉近紅外光區(Near IR)的光子(Light Harvesting),這是因為Yb3+在近紅外光區有較大的吸收截面,且只有一激發能階,能與鑭系激活離子Er3+產生共振,當紅外光980 nm激發光源照射在Er3+/Yb3+摻雜的奈米晶體時,電子從基底態躍遷至激發態,以輻射方式放出綠光,再回到基底態,達成更寬廣的太陽光吸收頻譜,增加光轉換效率。

圖四、UP Converter朝上頻譜轉換原理
圖四、UP Converter朝上頻譜轉換原理

具Down Conversio
一般高分子封裝材料容易遭受UV照射而損害,因此會加紫外光吸收劑阻擋紫外線的傷害並保護封裝膜。但是有些封裝膜技術為了增加額外的太陽光發電量,會採取直接讓紫外光照射到電池,讓電池可以直接接受額外的紫外光並經過電池吸收而增加發電,但這樣的做法卻讓封裝材料直接暴露在紫外光持續的危害中,如3M的UC Pass EVA Film,所以封裝膜材一般在耐UV性會再做一些調整。

工研院材化所研發之螢光高分子材料是將高分子原料、螢光染料單體及催化劑等化合物加入甲苯之中,在100~130˚C中進行開環聚合反應,反應時間約為8小時,洗去未反應之反應物即可得到產物。分子量可透過螢光染料與高分子單體之入料比來控制,分子量的最佳範圍需視螢光劑分子的吸收光譜與放光光譜的重疊程度(Stokes’ Shift)來找出最適化的分子量範圍(1,000~100,000),螢光劑光譜重疊程度越大(Stokes’ Shift越小),則高分子的分子量需越大,來增加螢光分子間的距離,以減少螢光劑本身的自吸收效應,造成螢光強度下降。因螢光劑大部分屬於多苯環結構,其熱裂解溫度通常可達200~250˚C,所以耐候性佳。工研院新型螢光EVA封裝材料與模組如圖九所示。

圖九、工研院新型螢光EVA封裝材料與模組
圖九、工研院新型螢光EVA封裝材料與模組

特殊設計之螢光高分子加入EVA樹脂中,可將造成材料裂解之紫外光轉換成電池可吸收之可見光區,搭配上精密壓膜的技術,經表面處理的EVA膜具有低收縮度(<2%)、穩定交聯特性(Crosslinking Ratio >90%)、均勻度佳(標準差=0.003)的特性,在不改變原有製程及設備的情形下,達到…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:關旻宗、王思淋、周文賢、羅名清 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」366期,更多資料請見下方附檔。


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