北京化工大学张胜教授团队 Small：用以提升硅太阳能电池性能的具有高阻燃性和优异抗紫外线性能的聚氯乙烯基发光下移层

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太阳能作为一种清洁能源，具有巨大的发展潜力。太阳能发电被视为是未来满足电力需求的最佳方案之一。晶硅太阳能电池现如今市场占比最大，但是其对紫外光的光谱响应低，紫外光还会使晶硅电池温度升高，降低光电效率，加速电池组件老化。面对如上问题，在太阳能电池顶部施以发光下移层(LDS)是行之有效的手段。其通过收集未吸收的紫外辐射，将其转化可利用光传导至设备中，以提高转换效率，帮助太阳能电池收集更多的阳光。

基于此，北京化工大学张胜教授团队提出了通过交联六氯环三磷腈、2-亚氨基苯并咪唑和聚乙烯亚胺合成一种光致发光微球(HCPAM)应用于聚氯乙烯（PVC）中，制备出用于晶硅电池顶部的发光下移层(图1)。PVC复合膜的负载可有效增强晶硅电池对于紫外光的转化率，提升模块光电效率(图2-3)。HCPAM可作为一种可持续的替代品，替代昂贵的量子点或有毒的稀土基荧光点。与此同时，HCPAM的加入还可以显著改善PVC薄膜的防火安全性和紫外线耐受性。研究发现在燃烧过程中，HCPAM能促进PVC链的重排和环化，从而形成致密碳，减少燃烧热和有毒烟雾的产生(图4)。在相同的紫外线照射时间下，HCPAM 可以保持PVC更高的透光率和分子结构稳定性(图5-6)。这项研究为同时提高PVC薄膜的防火和抗紫外线性能，以及扩大其在保护和有效利用光伏设备方面提供了一种创新策略。

图 1. HCPAM 的合成和PVC+HCPAM复合薄膜的制备过程示意图

图 2. (a)负载PVC薄膜的sc-Si太阳能电池的光伏性能测试示意图，以及负载PVC+HCPAM层(厚度=20 μm)前后sc-Si 电池的 J-V 曲线(b)和发电功率(c)

图3. (a) HCPAM的紫外-可见光吸收、荧光激发和发射光谱，(b) HCPAM溶液的荧光发射光谱(激发波长为300-400 nm)，(c) HCPAM溶液在不同UV照射时间下的最优荧光发射光谱，PVDF(d) 和PVC+HCPAM复合材料(e)的EEM光谱，(f) HCPAM有效重复片段的优化结构，(g) HCPAM分子前线轨道的π*→π跃迁，(h) HCPAM荧光光谱的理论值和实验值

图 4. PVC 复合材料在热通量为35 kW/m²下的(a) 热释放速率(HRR)曲线，(b) 总热释放量(THR)曲线，(c) 有效燃烧热(EHC)曲线，(d) 烟生成速率(SPR)曲线，(e) 总烟生成量(TSP)曲线，(f) PVC和PVC+HCPAM复合薄膜的烟密度曲线，(g) PVC+HCPAM阻燃和抑烟机制示意图

图 5. (a)-(b) 不同紫外老化时间下PVC 样品(厚度= 0.25 mm)表面照片，紫外老化20小时后PVC 样品表面的扫描电镜图像：纯 PVC(c)、PVC+3%HCPAM(d)，紫外老化20小时后PVC样品的紫外可见光透射率(e)和质量保留率(f)

图 6. (a) DPPH和DPPH/HCPAM 溶液在不同紫外线照射时间下的颜色变化，(b) DPPH 混合溶液的紫外可见光吸收光谱，(c) PVC+HCPAM 复合材料的抗紫外线机理

该工作以“Polyvinyl Chloride-Based Luminescent Downshifting Film with High Flame Retardancy and Excellent UV Resistance for Silicon Solar Cells”为题发表在《Small》上。论文第一作者为博士生邱爽，通讯作者为孙军副教授和张胜教授。该研究得到国家自然科学基金（NO. 52373051, NO. 22175017）项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202402488

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