用于增強太陽能電池效率的熔紡光致發(fā)光聚合物光纖

K. Jakubowski， M. Heuberger， R， Hufenus

瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室 先進纖維實驗室(瑞士)

光伏(PV)電池效率為10%～47%，為了獲得高能量輸出，必須使用大面積電池板。此外，光伏電池的輸出功率取決于光照強度，而光照強度取決于光照角度，這是正午達到輸出功率的峰值需要電網(wǎng)平衡的原因。聚合物光纖(POF)基發(fā)光太陽能聚光器(LSC)有望從3個方面解決這些問題。

——通過捕獲LSC側(cè)方表面上的光子來收集太陽光，從而盡可能減小PV面板尺寸；

——光色轉(zhuǎn)化，以更好地匹配PV電池的靈敏度；

——調(diào)整光接收角，以消除PV電池的正午功率峰值。

POF基LSC利用光致發(fā)光的原理，以圖1中所示的方式工作，在外部光照過程中提供以更長波長重新發(fā)光的能力。

圖1 雙組分發(fā)光POF的工作示意圖

前人研究結(jié)果表明，利用可擴大生產(chǎn)并且環(huán)保的雙組分熔融紡絲方法生產(chǎn)合適的光致發(fā)光POF的技術是可行的。POF的皮層(即光學覆層)可由折射率(RI)較低的透明聚合物制成，其提供較強的機械性能及合適的光學性能。POF的波導芯層可由摻雜了光致發(fā)光染料的高RI透明聚合物組成。外部光(如陽光)從側(cè)面接近此類POF時，被波導芯中的染料吸收，經(jīng)轉(zhuǎn)換后向各個方向發(fā)射，部分傳輸?shù)焦饫w尖端。如果將PV電池連接到POF光纖束的末端，則可收集并聚集光。在最佳條件下，單個光纖的收集器面積等于其長度乘以直徑(即光纖陰影面積)。雙組分熔融紡絲可實現(xiàn)高生產(chǎn)能力的低成本生產(chǎn)。

1 用于太陽光收集的光致發(fā)光纖維束的制備

首先，將芯層聚合物(Zeonor1020R，RI 1.53，Zeon歐洲公司，德國)及皮層聚合物(THVP 2030GZ含氟聚合物，RI為1.35，3M瑞士公司，瑞士)顆粒在80 ℃條件下過夜干燥。然后，將發(fā)光染料粉末LR305(巴斯夫公司，德國)以0.05%的質(zhì)量百分比與芯層聚合物在旋轉(zhuǎn)混合器中混合5 h。已有文獻報道稱，雙組分熔融紡絲可在定制的中試設備中完成。

將皮層和芯層的原材料分別送入螺桿直徑為14 mm和18 mm的擠出機，升溫至熔融溫度276 ℃；隨后，將它們分別以6和9 cm3/min的流量泵入噴絲板。由于所得纖維的直徑較大，需在水浴中進行淬火后牽伸。導絲輪提供的拉伸比為1.1，纏繞速度為148 m/min。所得長絲的芯組分直徑為(278±1) μm，總直徑為(326±2) μm，如圖2a)所示。將切割的纖維捆綁在一起制成纖維束，插入不同長度的聚甲基丙西酸甲酯(PMMA)管，以便在PV增強研究中進行測試，如圖2b)所示。所制纖維束長度分別為20、40和80 mm，直徑均為5 mm(根據(jù)PMMA管的內(nèi)徑確定)，因纖維直徑為(326±2) μm，故大約200根纖維可插入管中。

圖2 熔紡所得雙組分纖維

2 用纖維基LSCs增強太陽能電池

充滿纖維束的PMMA管通過不透明孔罩連接在PV電池上，該不透明孔罩具有與纖維束橫截面匹配的開口，并且置于角旋轉(zhuǎn)臺上。測量在暗箱內(nèi)進行，以阻擋環(huán)境光。將裝置放置在離氙弧燈3 m處，以模擬陽光的平面波照射情況。PV電池裝有可調(diào)負載(即可變電阻器)，最大功率通過測量電負載變化期間的電流-電壓曲線確定。首先在沒有纖維束的情況下(但使用了不透明孔罩)對PV電池進行測量。然后調(diào)節(jié)檢測器表面與激發(fā)光(角度旋轉(zhuǎn)臺)之間的角度(α)，在不同α處，對裝有纖維束的PV電池進行測量。在此，α=0°表示入射光線平行于測量裝置表面，而α=90°表示入射光線垂直于測量裝置表面。這種測量模擬了陽光照射時光線與電池表面在晴天出現(xiàn)的不同角度，但沒有考慮大氣影響(例如光散射)，相應結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同長度的LSC纖維束增強的PV電池和無纖維束PV電池的最大功率與光照角度的關系

圖3顯示了研究對象在每個角度獲得的最大功率(以垂直光照下空白電池的測量值為參照進行歸一化處理)，為使測試結(jié)果更直觀，圖3標出了光照角度。

通過對圖3中功率-光照角度曲線下的面積進行積分，可獲得電池全天的輸出功率。20 mm長的纖維束的收集面積太小，以至于無法提供足夠的光聚集，無法克服纖維固有的損耗，因而降低了PV電池的整體性能。40 mm和80 mm纖維束增強的PV電池的日綜合性能分別比無纖維的PV電池提高113%和126%。而且，其對太陽位置(光照角度)的依賴性不太明顯。

這些結(jié)果表明，適當長度的光致發(fā)光纖維束可提高PV電池的能量轉(zhuǎn)化率，雙組分熔融紡絲制備光致發(fā)光纖維不失為一種經(jīng)濟有效的方法。