Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的制備與性能分析

方桂娟，林惠川，龔嚴(yán)林

（1．三明學(xué)院 電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000；3.中山大學(xué) 光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275）

聚光結(jié)構(gòu)是降低光伏發(fā)電成本的一個有效手段，然而傳統(tǒng)基于光的折射以及反射原理的光伏聚光器，由于需要精確的太陽光跟蹤系統(tǒng)以及太陽電池冷卻系統(tǒng)，使光伏發(fā)電成本有較大的額外增加，從而制約了傳統(tǒng)聚光結(jié)構(gòu)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[1-3]。熒光太陽能聚光器 (luminescent solar concentrators)采用熒光物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對太陽光的吸收，并利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對熒光物質(zhì)發(fā)射出的熒光進(jìn)行會聚收集，由于對太陽光的入射角度無特定要求，并且聚光光強(qiáng)比較均勻，因此采用此聚光器在光伏發(fā)電中便無需太陽光跟蹤系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等附加器件，使其在光伏發(fā)電中避免了附加成本的增加[4-6]。另外，由于熒光太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)是在透明介質(zhì)波導(dǎo)中摻入了熒光物質(zhì)，整個波導(dǎo)聚光器可以做成平板結(jié)構(gòu)而其出光端口在波導(dǎo)窄邊邊沿，因此當(dāng)把太陽能電池片粘貼于聚光器的邊沿時，整個波導(dǎo)聚光結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，而且可以作為建筑物的幕墻或者窗戶玻璃，從而可以很好地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與建筑物的有機(jī)結(jié)合[6-7]。

由于其獨(dú)特的聚光方式，相比于傳統(tǒng)聚光器，熒光太陽能聚光器在光伏發(fā)電中具有更加廣泛的應(yīng)用前景，因此近年來關(guān)于熒光太陽能聚光器的研究一直是一個熱點(diǎn)[6-18]。Slooff等人將GaAs太陽能電池置于聚光比為2的熒光太陽能聚光器下，實(shí)現(xiàn)了7.1%的能量轉(zhuǎn)換效率[19]，Desmet等人報道了將單晶硅太陽能電池連接到疊層熒光太陽能聚光器的輸出面，當(dāng)聚光器的聚光比為1.7時太陽能電池獲得4.2%的能量轉(zhuǎn)換效率[20]，Coropceanu等人以CdSe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)作為熒光物質(zhì)制備熒光太陽能聚光器，獲得48%的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率[10]，Meinardi等人同樣以CdSe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)作為熒光物質(zhì)，制備得到聚光比為4.4的熒光太陽能聚光器[9]。本文以高透光性、高穩(wěn)定性和良好機(jī)械性能的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為波導(dǎo)基質(zhì)材料，選用高量子效率、高光吸收系數(shù)與良好溶解性的有機(jī)染料Coumarin 6（C6）作為熒光物質(zhì)，采用摻雜的方式探索制備出基于Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器。將太陽能電池粘貼于平面熒光太陽能聚光器的窄端面，通過測試太陽能電池的輸出I-V特性曲線，進(jìn)而測得Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器光學(xué)轉(zhuǎn)換效率以及聚光比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的制備

摻雜有Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器的制備主要包括3個步驟，首先需要將Coumarin 6和甲基丙烯酸甲酯（MMA）進(jìn)行均勻混合。將MMA單體與其引發(fā)劑偶氮二異丁腈（AIBN）按照1000∶1的比重進(jìn)行均勻混合，然后用移液管量取配置好的Coumarin 6-MMA溶液，將其注射入添加有引發(fā)劑的MMA溶液，用超聲進(jìn)行振蕩實(shí)現(xiàn)充分混合，如圖1（a）。其次，將Coumarin 6與添加有引發(fā)劑的MMA的混合溶液放入80℃水浴中進(jìn)行加熱，加熱12 min實(shí)現(xiàn)MMA單體的預(yù)聚合。完成預(yù)聚合之后，混合溶液由原先的液態(tài)狀轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵頎睢Ｗ詈螅瑢⒄吵頎畹幕旌先芤航档椭潦覝刂?，?dǎo)入自制的模具中，如圖1（b），然后將模具放入40℃恒溫箱中繼續(xù)實(shí)現(xiàn)MMA的聚合。恒溫40℃保持24 h后將恒溫箱溫度提高到100℃保持1 h，實(shí)現(xiàn)MMA的完全聚合。實(shí)現(xiàn)完全聚合后，摻雜有Coumarin 6的PMMA平板結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。將摻雜有Coumarin 6的PMMA平板結(jié)構(gòu)按照尺寸需要，采用激光進(jìn)行切割，切割完之后對邊沿進(jìn)行拋光，則摻雜有Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器便制備完成。

圖1 Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器的制備步驟圖

為了獲得Coumarin 6對PMMA的最佳摻雜濃度，制備出最佳光學(xué)轉(zhuǎn)換效率的熒光太陽能聚光器，我們設(shè)計制作了7組摻雜不同濃度的Coumarin 6（C6）平板PMMA，其中Coumarin 6的摻雜濃度（C6∶MMA）為 0.0001%、0.0005%、0.001%、0.005%、0.01%、0.05% 和 0.1%，其詳細(xì)參數(shù)見表1所示。

表1 摻雜Coumarin 6的各組分濃度配比

將不同摻雜濃度的Coumarin 6平板PMMA按照設(shè)定尺寸采用激光進(jìn)行切割，對邊沿進(jìn)行必要的拋光便制備得到基于Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器。本工作中制備得到的第一種平面熒光太陽能聚光器的幾何尺寸為5 cm×5 cm×0.5 cm，此尺寸下不同摻雜濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的樣品如圖2所示。圖2中0代表未摻雜染料的PMMA平板，1～7分別為摻雜染料Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器，染料的摻雜濃度 （C6：PMMA）依次為0.0001%、0.0005%、0.001%、0.005%、0.01%、0.05% 和0.1%。如圖2所示，隨著Coumarin 6濃度的逐漸增大，平面熒光太陽能聚光器的顏色逐漸加深，逐漸由淺綠色變?yōu)樯罹G色，最后變?yōu)辄S綠色。接下來，將對不同摻雜濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器進(jìn)行測試。

圖2 不同摻雜濃度下Coumarin 6平面平面熒光太陽能聚光器樣品示意圖

1.2 Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的性能測試

如圖2所示，制備得到7種不同摻雜濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器，而對于太陽能電池真正能有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的也就局限在一小波段范圍內(nèi)，因此首先對不同摻雜濃度下的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的熒光發(fā)射光譜進(jìn)行測量，看不同濃度下熒光太陽能聚光器所會聚的熒光是否符合太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換。圖3所示為所制備的7種不同濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的熒光發(fā)射光譜圖，由熒光發(fā)射光譜圖可知不同的摻雜濃度對整個熒光太陽能聚光器的熒光光譜沒有大的影響，特別是熒光光譜的發(fā)射峰并沒有明顯受到摻雜濃度的影響。而主要的發(fā)射熒光光譜都集中在500 nm以上，對于大部分的太陽能電池而言這一波段范圍的光基本都能有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

將Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器與太陽能電池結(jié)合起來，通過測試聚光前后太陽能電池的輸出功率，來進(jìn)一步推算Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率與實(shí)際聚光比。在實(shí)際測試過程中，采用圖4(a)所示的夾具放置熒光太陽能聚光器，采用圖4(b)所示的太陽能模擬器（Newport-oriel 91192 100 mW/cm2）和數(shù)字源表（keithley 2400）測試太陽能電池的輸出功率。

圖3 不同摻雜濃度下Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的熒光發(fā)射光譜（PL）

圖4 測試工具圖

為使測試數(shù)據(jù)更具意義，采用市場占有份額最高的晶硅太陽能電池進(jìn)行測試。將單晶硅太陽能電池粘貼于Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的窄端面，測試其I-V特性曲線，為比較不同摻雜濃度下的熒光太陽能聚光器的聚光特性，對與7種不同濃度熒光太陽能聚光器相連接的太陽能電池分別進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5所示。由圖5的I-V曲線可以清晰的看出，隨著Coumarin 6摻雜濃度的增大電池短路電流在起始增大顯著，但是當(dāng)摻雜濃度增大到0.005%時短路電流增長速度趨緩，例如摻雜濃度為0.05%與0.1%時電池的短路電流基本相等，同時開路電壓也基本保持不變。

圖5 不同Coumarin 6摻雜濃度的熒光太陽能聚光器連接單晶硅太陽能電池后的I-V曲線。

將圖5曲線的短路電流以及開路電壓等數(shù)據(jù)列于表格2中，將能更加清楚的看出不同摻雜濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的聚光特性。表格中ISC為太陽能電池的短路電流，開路電壓為Uoc，太陽能電池的填充因子為FF，聚光器的能量轉(zhuǎn)換效率為η，聚光器的光能轉(zhuǎn)化效率為P，C為聚光器的聚光比。由表2可知，隨著染料濃度（染料與PMMA質(zhì)量比）的增大，太陽能電池的短路電流逐漸增大，但是開路電壓、填充因子并無明顯變化，聚光器的能量轉(zhuǎn)化效率和聚光比隨著摻雜濃度的提高而逐漸增大。同樣由表格2的數(shù)據(jù)可以看出，在摻雜濃度較低時，聚光器的聚光比隨著染料濃度的增大呈近似線性增大。如染料摻雜質(zhì)量百分比從0.0001%增大到0.05%時，聚光器的聚光比從0.29增大到0.72。但是當(dāng)染料達(dá)到一定濃度后（即質(zhì)量比增大到0.05% 以后），由于染料本身的自吸收效應(yīng)，使得聚光器的聚光比隨著濃度的增大而無明顯增加。因而對于以PMMA為波導(dǎo)基質(zhì)材料，Coumarin 6摻雜濃度在聚光器幾何尺寸為50 mm×50 mm×5 mm時，最優(yōu)化的摻雜濃度為質(zhì)量比為0.05%。

表2 太陽能電池和熒光太陽能聚光器的各個參量隨著Coumarin 6摻雜濃度的變化

為獲得更高的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率以及聚光比，以0.05%的摻雜濃度，制備出幾何聚光比為20，即幾何尺寸為100 mm×100 mm×5 mm 的平面 LSC，如圖6所示為該摻雜濃度下的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的圖像示意圖。為測試此尺寸的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的聚光特性，同樣將太陽能電池粘貼于聚光器的窄端面，通過測量電池的輸出I-V特性曲線來判定該熒光太陽能聚光器的聚光特性。

圖6 熒光太陽能聚光器樣品圖

試條件下，測試得到的單晶硅太陽能電池的I-V特性曲線如圖7所示。對比相同摻雜濃度幾何尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器，可以發(fā)現(xiàn)同一單晶硅太陽能電池在100 mm×100 mm×5 mm的平面熒光太陽能聚光器的聚光條件下，短路電流由53.2 mA增大到82.88 mA，開路電壓從0.505V增大到0.53V。而聚光器的能量轉(zhuǎn)換效率從7.19%增大到7.78%，實(shí)際聚光比由0.72增大到1.56。對比不同尺寸同一濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器可知，當(dāng)把熒光太陽能聚光器的幾何尺寸從50mm×50mm ×5 mm增大到 100 mm×100mm×5 mm，基于Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器的聚光比提高了2.16倍，因此可以預(yù)見基于Coumarin 6的平面熒光太陽能聚光器增加其尺寸能夠改善聚光器的聚光性能。

圖7 太陽能電池的輸出I-V特性曲線

2 結(jié)果與討論

本文以高量子效率、高光吸收系數(shù)與良好溶解性的有機(jī)染料Coumarin 6作為熒光物質(zhì)，以具有良好光學(xué)與機(jī)械性能的PMMA作為波導(dǎo)基質(zhì)材料，探索制備了7種不同濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器。通過測試與聚光器相連接的太陽能電池的輸出IV特性曲線，計算出不同濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器的聚光特性。對比不同摻雜濃度的聚光器的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率以及聚光比發(fā)現(xiàn)，以PMMA為波導(dǎo)基質(zhì)材料的熒光太陽能聚光器Coumarin 6的最優(yōu)化摻雜濃度0.05%。而同樣以0.05%的摻雜濃度的Coumarin 6平面熒光太陽能聚光器，當(dāng)幾何尺寸從50 mm×50 mm×5 mm增大到100 mm×100 mm×5 mm聚光器的聚光比提高了2.16倍。

3 結(jié)束語

太陽能聚光器利用熒光物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對太陽光的吸收與轉(zhuǎn)化，并利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對熒光的會聚，這種聚光方式不僅能用于光伏聚光降低光伏發(fā)電成本，還能實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與建筑物的有機(jī)結(jié)合，因此在未來將具有廣泛的應(yīng)用前景。