Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的制备与性能分析

方桂娟，林惠川，龚严林

（1．三明学院 电工程学院，福建 三明 365004；2.闽南师范大学 物理与信息工程学院，福建 漳州 363000；3.中山大学 光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275）

聚光结构是降低光伏发电成本的一个有效手段，然而传统基于光的折射以及反射原理的光伏聚光器，由于需要精确的太阳光跟踪系统以及太阳电池冷却系统，使光伏发电成本有较大的额外增加，从而制约了传统聚光结构在光伏发电系统中的应用[1-3]。荧光太阳能聚光器 (luminescent solar concentrators)采用荧光物质实现对太阳光的吸收，并利用波导结构对荧光物质发射出的荧光进行会聚收集，由于对太阳光的入射角度无特定要求，并且聚光光强比较均匀，因此采用此聚光器在光伏发电中便无需太阳光跟踪系统以及冷却系统等附加器件，使其在光伏发电中避免了附加成本的增加[4-6]。另外，由于荧光太阳能聚光器的结构是在透明介质波导中掺入了荧光物质，整个波导聚光器可以做成平板结构而其出光端口在波导窄边边沿，因此当把太阳能电池片粘贴于聚光器的边沿时，整个波导聚光结构不仅可以实现光伏发电，而且可以作为建筑物的幕墙或者窗户玻璃，从而可以很好地实现光伏发电与建筑物的有机结合[6-7]。

由于其独特的聚光方式，相比于传统聚光器，荧光太阳能聚光器在光伏发电中具有更加广泛的应用前景，因此近年来关于荧光太阳能聚光器的研究一直是一个热点[6-18]。Slooff等人将GaAs太阳能电池置于聚光比为2的荧光太阳能聚光器下，实现了7.1%的能量转换效率[19]，Desmet等人报道了将单晶硅太阳能电池连接到叠层荧光太阳能聚光器的输出面，当聚光器的聚光比为1.7时太阳能电池获得4.2%的能量转换效率[20]，Coropceanu等人以CdSe/CdS核壳结构量子点作为荧光物质制备荧光太阳能聚光器，获得48%的光学转换效率[10]，Meinardi等人同样以CdSe/CdS核壳结构量子点作为荧光物质，制备得到聚光比为4.4的荧光太阳能聚光器[9]。本文以高透光性、高稳定性和良好机械性能的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为波导基质材料，选用高量子效率、高光吸收系数与良好溶解性的有机染料Coumarin 6（C6）作为荧光物质，采用掺杂的方式探索制备出基于Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器。将太阳能电池粘贴于平面荧光太阳能聚光器的窄端面，通过测试太阳能电池的输出I-V特性曲线，进而测得Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器光学转换效率以及聚光比。

1 实验部分

1.1 Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的制备

掺杂有Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器的制备主要包括3个步骤，首先需要将Coumarin 6和甲基丙烯酸甲酯（MMA）进行均匀混合。将MMA单体与其引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）按照1000∶1的比重进行均匀混合，然后用移液管量取配置好的Coumarin 6-MMA溶液，将其注射入添加有引发剂的MMA溶液，用超声进行振荡实现充分混合，如图1（a）。其次，将Coumarin 6与添加有引发剂的MMA的混合溶液放入80℃水浴中进行加热，加热12 min实现MMA单体的预聚合。完成预聚合之后，混合溶液由原先的液态状转变为粘稠状。最后，将粘稠状的混合溶液降低至室温之后，导入自制的模具中，如图1（b），然后将模具放入40℃恒温箱中继续实现MMA的聚合。恒温40℃保持24 h后将恒温箱温度提高到100℃保持1 h，实现MMA的完全聚合。实现完全聚合后，掺杂有Coumarin 6的PMMA平板结构如图1（c）所示。将掺杂有Coumarin 6的PMMA平板结构按照尺寸需要，采用激光进行切割，切割完之后对边沿进行抛光，则掺杂有Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器便制备完成。

图1 Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器的制备步骤图

为了获得Coumarin 6对PMMA的最佳掺杂浓度，制备出最佳光学转换效率的荧光太阳能聚光器，我们设计制作了7组掺杂不同浓度的Coumarin 6（C6）平板PMMA，其中Coumarin 6的掺杂浓度（C6∶MMA）为 0.0001%、0.0005%、0.001%、0.005%、0.01%、0.05% 和 0.1%，其详细参数见表1所示。

表1 掺杂Coumarin 6的各组分浓度配比

将不同掺杂浓度的Coumarin 6平板PMMA按照设定尺寸采用激光进行切割，对边沿进行必要的抛光便制备得到基于Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器。本工作中制备得到的第一种平面荧光太阳能聚光器的几何尺寸为5 cm×5 cm×0.5 cm，此尺寸下不同掺杂浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的样品如图2所示。图2中0代表未掺杂染料的PMMA平板，1～7分别为掺杂染料Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器，染料的掺杂浓度 （C6：PMMA）依次为0.0001%、0.0005%、0.001%、0.005%、0.01%、0.05% 和0.1%。如图2所示，随着Coumarin 6浓度的逐渐增大，平面荧光太阳能聚光器的颜色逐渐加深，逐渐由浅绿色变为深绿色，最后变为黄绿色。接下来，将对不同掺杂浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器进行测试。

图2 不同掺杂浓度下Coumarin 6平面平面荧光太阳能聚光器样品示意图

1.2 Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的性能测试

如图2所示，制备得到7种不同掺杂浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器，而对于太阳能电池真正能有效实现光电转换的也就局限在一小波段范围内，因此首先对不同掺杂浓度下的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的荧光发射光谱进行测量，看不同浓度下荧光太阳能聚光器所会聚的荧光是否符合太阳能电池的光电转换。图3所示为所制备的7种不同浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的荧光发射光谱图，由荧光发射光谱图可知不同的掺杂浓度对整个荧光太阳能聚光器的荧光光谱没有大的影响，特别是荧光光谱的发射峰并没有明显受到掺杂浓度的影响。而主要的发射荧光光谱都集中在500 nm以上，对于大部分的太阳能电池而言这一波段范围的光基本都能有效实现光电转换。

将Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器与太阳能电池结合起来，通过测试聚光前后太阳能电池的输出功率，来进一步推算Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的光学转换效率与实际聚光比。在实际测试过程中，采用图4(a)所示的夹具放置荧光太阳能聚光器，采用图4(b)所示的太阳能模拟器（Newport-oriel 91192 100 mW/cm2）和数字源表（keithley 2400）测试太阳能电池的输出功率。

图3 不同掺杂浓度下Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的荧光发射光谱（PL）

图4 测试工具图

为使测试数据更具意义，采用市场占有份额最高的晶硅太阳能电池进行测试。将单晶硅太阳能电池粘贴于Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的窄端面，测试其I-V特性曲线，为比较不同掺杂浓度下的荧光太阳能聚光器的聚光特性，对与7种不同浓度荧光太阳能聚光器相连接的太阳能电池分别进行测试，测试结果如图5所示。由图5的I-V曲线可以清晰的看出，随着Coumarin 6掺杂浓度的增大电池短路电流在起始增大显著，但是当掺杂浓度增大到0.005%时短路电流增长速度趋缓，例如掺杂浓度为0.05%与0.1%时电池的短路电流基本相等，同时开路电压也基本保持不变。

图5 不同Coumarin 6掺杂浓度的荧光太阳能聚光器连接单晶硅太阳能电池后的I-V曲线。

将图5曲线的短路电流以及开路电压等数据列于表格2中，将能更加清楚的看出不同掺杂浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的聚光特性。表格中ISC为太阳能电池的短路电流，开路电压为Uoc，太阳能电池的填充因子为FF，聚光器的能量转换效率为η，聚光器的光能转化效率为P，C为聚光器的聚光比。由表2可知，随着染料浓度（染料与PMMA质量比）的增大，太阳能电池的短路电流逐渐增大，但是开路电压、填充因子并无明显变化，聚光器的能量转化效率和聚光比随着掺杂浓度的提高而逐渐增大。同样由表格2的数据可以看出，在掺杂浓度较低时，聚光器的聚光比随着染料浓度的增大呈近似线性增大。如染料掺杂质量百分比从0.0001%增大到0.05%时，聚光器的聚光比从0.29增大到0.72。但是当染料达到一定浓度后（即质量比增大到0.05% 以后），由于染料本身的自吸收效应，使得聚光器的聚光比随着浓度的增大而无明显增加。因而对于以PMMA为波导基质材料，Coumarin 6掺杂浓度在聚光器几何尺寸为50 mm×50 mm×5 mm时，最优化的掺杂浓度为质量比为0.05%。

表2 太阳能电池和荧光太阳能聚光器的各个参量随着Coumarin 6掺杂浓度的变化

为获得更高的光学转换效率以及聚光比，以0.05%的掺杂浓度，制备出几何聚光比为20，即几何尺寸为100 mm×100 mm×5 mm 的平面 LSC，如图6所示为该掺杂浓度下的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的图像示意图。为测试此尺寸的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的聚光特性，同样将太阳能电池粘贴于聚光器的窄端面，通过测量电池的输出I-V特性曲线来判定该荧光太阳能聚光器的聚光特性。

图6 荧光太阳能聚光器样品图

试条件下，测试得到的单晶硅太阳能电池的I-V特性曲线如图7所示。对比相同掺杂浓度几何尺寸为50 mm×50 mm×5 mm的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器，可以发现同一单晶硅太阳能电池在100 mm×100 mm×5 mm的平面荧光太阳能聚光器的聚光条件下，短路电流由53.2 mA增大到82.88 mA，开路电压从0.505V增大到0.53V。而聚光器的能量转换效率从7.19%增大到7.78%，实际聚光比由0.72增大到1.56。对比不同尺寸同一浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器可知，当把荧光太阳能聚光器的几何尺寸从50mm×50mm ×5 mm增大到 100 mm×100mm×5 mm，基于Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器的聚光比提高了2.16倍，因此可以预见基于Coumarin 6的平面荧光太阳能聚光器增加其尺寸能够改善聚光器的聚光性能。

图7 太阳能电池的输出I-V特性曲线

2 结果与讨论

本文以高量子效率、高光吸收系数与良好溶解性的有机染料Coumarin 6作为荧光物质，以具有良好光学与机械性能的PMMA作为波导基质材料，探索制备了7种不同浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器。通过测试与聚光器相连接的太阳能电池的输出IV特性曲线，计算出不同浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器的聚光特性。对比不同掺杂浓度的聚光器的光学转换效率以及聚光比发现，以PMMA为波导基质材料的荧光太阳能聚光器Coumarin 6的最优化掺杂浓度0.05%。而同样以0.05%的掺杂浓度的Coumarin 6平面荧光太阳能聚光器，当几何尺寸从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 结束语

太阳能聚光器利用荧光物质实现对太阳光的吸收与转化，并利用波导结构实现对荧光的会聚，这种聚光方式不仅能用于光伏聚光降低光伏发电成本，还能实现光伏发电与建筑物的有机结合，因此在未来将具有广泛的应用前景。