韓新月，王一平,，朱 麗

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

液浸聚光光伏系統(tǒng)中液體光譜透過(guò)率的分析

韓新月1，王一平1,2，朱 麗2

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

采用液浸冷卻方式的聚光光伏系統(tǒng)中液體層的存在會(huì)改變?nèi)肷涞诫姵乇砻娴墓鈴?qiáng)與光譜分布，因此準(zhǔn)確測(cè)量液浸液體的光譜透過(guò)率非常重要．通過(guò)分光光度計(jì)對(duì)去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油候選液體進(jìn)行了檢測(cè)，然后用光度學(xué)的方法修正得出了候選液體的真實(shí)光譜透過(guò)率．與傳統(tǒng)封裝太陽(yáng)電池材料的光譜透過(guò)率相比，這 4種液浸液體的透過(guò)率要高．基于浸沒(méi)硅太陽(yáng)電池的歸一化光電流密度分析得出二甲基硅油導(dǎo)致的功率損失最小，去離子水引起的損失最大，后者要比前者多5%左右．

聚光光伏；液浸冷卻；分光光度計(jì)；光度學(xué)修正；液體光譜透過(guò)率

liquid spectral transmittance

聚光光伏(concentrating photovoltaic，CPV) 技術(shù)作為一種降低光伏發(fā)電成本的途徑，近年來(lái)得到迅速發(fā)展[1-2]．但是聚光條件下的高光強(qiáng)促使太陽(yáng)電池工作溫度升高，而溫度升高會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池電壓的急劇降低以及轉(zhuǎn)換效率的下降[3]．因此在聚光條件下，需要對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行冷卻來(lái)保證太陽(yáng)電池在較高效率下工作[4]．近年來(lái)，人們提出液浸聚光電池的新冷卻方式，即將聚光電池置于流動(dòng)的絕緣液體中，可消除傳統(tǒng)主動(dòng)與被動(dòng)散熱方式的間壁熱阻，而且太陽(yáng)電池的正反面均可作為有效的散熱面積，使電池表面的溫度分布均勻，實(shí)現(xiàn)高效冷卻聚光電池的目的[5-9]．

對(duì)比傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)，液浸聚光光伏系統(tǒng)中液浸液體層的存在會(huì)改變?nèi)肷涞骄酃馓?yáng)電池表面的光強(qiáng)與光譜分布，這主要是因?yàn)橐后w會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生不同程度的吸收，主要取決于液體本身的性質(zhì)．所以準(zhǔn)確測(cè)量和分析液浸液體的光譜透過(guò)率非常重要．但是利用分光光度計(jì)采用傳統(tǒng)方法測(cè)得純液體的透過(guò)率往往是相對(duì)于空氣的，而且經(jīng)常出現(xiàn)大于100%的情況，即比空氣的透過(guò)率還要大，顯然是不合理的[9]．通過(guò)分光光度計(jì)采用本文提出的測(cè)試步驟對(duì)幾種候選液體先進(jìn)行初步檢測(cè)，然后采用光度學(xué)的方法對(duì)分光光度計(jì)檢測(cè)引入的誤差進(jìn)行修正，從而獲得這些液體的真實(shí)光譜透過(guò)率．同時(shí)與傳統(tǒng)封裝太陽(yáng)電池材料的光譜透過(guò)率進(jìn)行了對(duì)比．最后定量分析了不同液浸液體對(duì)硅太陽(yáng)電池發(fā)電功率的影響．

1 測(cè)試用液浸液體

基于聚光光伏系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及期望實(shí)現(xiàn)高效冷卻聚光電池的目的，理想液浸液體需具備的性質(zhì)包括：①良好的電絕緣性；②黏度低，傳熱性能好；③光譜透過(guò)率與太陽(yáng)電池響應(yīng)光譜匹配；④物化性質(zhì)穩(wěn)定；⑤無(wú)毒環(huán)保．綜合考慮上述幾個(gè)方面，本文選定去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油 4種液體進(jìn)行光譜透過(guò)率分析，其物性參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的物性參數(shù)Tab.1 Properties of DI water，IPA，ethyl acetate，and dimethyl silicon oil

這4種液體的電絕緣性很好，折射率匹配可以起到減反射膜的作用．目前缺乏這些液體的光譜透過(guò)率，表1中的數(shù)據(jù)定性地說(shuō)明了它們?cè)诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)透過(guò)率很高，而在紫外和近紅外區(qū)的真實(shí)光譜透過(guò)率鮮見(jiàn)報(bào)道．

測(cè)試用液浸液體樣品中的去離子水取自澳大利亞國(guó)立大學(xué)可持續(xù)系統(tǒng)能源中心，其電導(dǎo)率為0.30,μS/cm；異丙醇為 Sigma-Aldrich公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭灰宜嵋阴?Chem-Supply公司制造的；二甲基硅油從上海華羚公司購(gòu)得．

2 測(cè)試和修正方法

2.1 測(cè) 試

采用LAMBDA 1050紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)(美國(guó)鉑金埃爾默公司，紫外/可見(jiàn)光區(qū)的分辨率≤0.05,nm，近紅外光區(qū)的分辨率≤0.20,nm)對(duì)上述4種液體進(jìn)行280～2,000,nm光譜透過(guò)率的測(cè)定．

首先將標(biāo)準(zhǔn)模塊安裝到 LAMBDA,1050分光光度計(jì)上，按照測(cè)試要求設(shè)定相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行基線校正，這時(shí)測(cè)試光路不要放置任何樣品池．基線校正后，將預(yù)先選好的一個(gè)樣品池裝滿被測(cè)液體(文中使用 Hellma?光學(xué)石英比色皿，光程長(zhǎng) 10,mm，波長(zhǎng)范圍為 200～2,500,nm)，放置于測(cè)試光路中，此時(shí)將獲得透過(guò)率讀數(shù)值T，波長(zhǎng)間隔為1,nm．

但是在用分光光度計(jì)測(cè)量液體對(duì)某一波長(zhǎng)的透過(guò)率時(shí)，盡管本文的測(cè)試步驟不同于傳統(tǒng)方法的測(cè)試步驟，不過(guò)液體還是裝在樣品池中進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)空氣和樣品池以及液體和樣品池接觸界面的反射率會(huì)引入測(cè)試誤差，同時(shí)還要考慮樣品池本身的吸收．所以即使采用這種測(cè)試步驟，分光光度計(jì)獲得的透過(guò)率也是不準(zhǔn)確的，為此必須對(duì)測(cè)量值進(jìn)行光度學(xué)修正．又由于所用石英比色皿和待測(cè)純液體的透過(guò)率都很高，修正中僅考慮了入射光在樣品池壁之間的一次反射的影響．

2.2 光度學(xué)修正

圖1所示為測(cè)試光束通過(guò)樣品池內(nèi)裝有被測(cè)液體時(shí)的情況．圖1中，1、2、3、4分別表示測(cè)試光束所通過(guò)的樣品池的4個(gè)界面，d為樣品池薄壁厚度，α為薄壁吸收系數(shù)，n1為樣品池的折射率，n0=1為空氣折射率，液體折射率為n2．R1、R2、R3、R4表示當(dāng)光束垂直入射樣品池1、2、3、4界面時(shí)的表面反射率(實(shí)際測(cè)試時(shí)，光束都是垂直入射的)，并設(shè) R1、R4為 R0，R2、R3為0R′，T?為樣品池中液體的真實(shí)透過(guò)率．I0為入射光束輻射能，I1為光束通過(guò)樣品池后的輻射能．

圖1 測(cè)試光束經(jīng)過(guò)有被測(cè)液體樣品池的透過(guò)率測(cè)量示意Fig.1 Diagram of transmittance of a light beam as it travels through a cuvette with liquid

在圖1中，樣品池內(nèi)裝有液體，根據(jù)菲涅爾反射公式計(jì)算第1和第4界面(即空氣和樣品池界面)的反射率為

第2和第 3界面由于與液體接觸，其界面(即液體和樣品池界面)反射率發(fā)生了變化．即．同樣由菲涅爾公式計(jì)算可得

分析圖1可得

由式(3)可得

假設(shè)

把式(5)和式(6)代入式(4)可得

由式(7)可見(jiàn)，要想獲得液體光譜透過(guò)率的實(shí)際值，必須對(duì)分光光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果按式(7)進(jìn)行光度學(xué)修正．通過(guò)分析可知 K1是用于修正樣品池本身的吸收以及空氣和樣品池兩接觸界面(界面 1和界面4)的反射損失，而 K2是用于修正液體和樣品池兩接觸界面(界面2和界面3)的反射損失．

為獲得 K1，首先需要準(zhǔn)備一塊與樣品池同一材質(zhì)制成的厚度與樣品池壁厚相同的樣品．本文選用的2,d厚光學(xué)石英塊材質(zhì)與Hellma?光學(xué)石英比色皿相同，厚度通過(guò) Mitutoyo測(cè)厚儀證實(shí)，然后用LAMBDA 1050分光光度計(jì)和自帶的積分球模塊測(cè)量這個(gè)樣品在280～2,000,nm的光譜透過(guò)率T1．圖2所示為測(cè)試光束通過(guò)這塊光學(xué)石英時(shí)的情況．

圖2 測(cè)試光束經(jīng)過(guò)2 d厚石英塊的透過(guò)率測(cè)量示意Fig.2 Diagram of transmittance of a light beam as it travelsthrough quartz with 2d thickness

圖2 中，1′、4′分別表示測(cè)試光束通過(guò)此石英塊的 2個(gè)界面，2d為石英塊的厚度，α為其吸收系數(shù)，n1為石英的折射率，n0=1為空氣折射率．1R′、4R′表示當(dāng)光束垂直入射石英塊 1′、4′界面時(shí)的表面反射率．T1為石英塊的光譜透過(guò)率．根據(jù)菲涅爾公式計(jì)算第1′和第4′界面(即空氣和石英塊界面)反射率為

分析圖2可得

對(duì)比式(5)和式(9)可得

以去離子水為例，經(jīng)過(guò) K1修正后的光譜透過(guò)率曲線與修正前的測(cè)量曲線參見(jiàn)圖 3．由圖 3可以看出，樣品池本身的吸收以及空氣和樣品池兩接觸界面(界面 1和界面 4)的反射在用分光光度計(jì)測(cè)量液體光譜透過(guò)率時(shí)的確引入了很大的誤差．

圖3 去離子水修正前和修正后(K1)的透過(guò)率曲線Fig.3 Transmittance curves of DI water before and after corrected (K1)

由于液體和樣品池二者折射率接近，使得液體和樣品池兩接觸界面(界面 2和界面 3)的反射損失很小，所以在計(jì)算 K2時(shí)，可以假定液體的折射率n2(見(jiàn)表 1)和石英樣品池的折射率 n1=1.460不隨波長(zhǎng)變化，而且利用式(2)算出的去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油與石英樣品池界面的反射率分別為 0.21%、0.09%、0.09%和 0.05%，這些數(shù)據(jù)也說(shuō)明了假設(shè)的合理性．進(jìn)而利用式(6)可得 K2．最后把獲得的K1和K2代入式(7)就可算出去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的真實(shí)光譜透過(guò)率T?．

3 結(jié)果與討論

采用本文介紹的方法獲得的去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油在 280～2,000,nm 波段范圍內(nèi)的實(shí)際光譜透過(guò)率曲線如圖 4所示．圖 4中同時(shí)也給出了這 4種液體在同臺(tái)分光光度計(jì)上采用傳統(tǒng)方法獲得的大于100%的透過(guò)率曲線．

除了液浸液體的光譜透過(guò)率曲線外，圖4還給出了AM1.5太陽(yáng)直射光譜(direct normal+circumsolar at AM1.5，ASTM G173-03)以及單晶硅電池的外量子效率(external quantum efficiency，EQE)．給出 AM1.5太陽(yáng)直射光譜而不是總光譜主要是因?yàn)榫酃庀到y(tǒng)利用的光大部分都是直射光，對(duì)散射光利用很少．圖 4顯示的硅電池外量子效率是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的，是用于校正澳大利亞國(guó)立大學(xué)可持續(xù)能源系統(tǒng)中心的量子效率測(cè)試系統(tǒng)的．

由圖4可以看出，利用分光光度計(jì)采用傳統(tǒng)方法測(cè)得這 4種純液體相對(duì)于空氣的透過(guò)率的確出現(xiàn)了大于 100%的情況，即比空氣的透過(guò)率還要大，這顯然是不合理的．因此采用本文介紹的方法利用分光光度計(jì)獲得純液體的真實(shí)光譜透過(guò)率是很有意義的．而且圖4還表明液浸液體層的存在會(huì)改變?nèi)肷涞教?yáng)電池表面的光強(qiáng)與光譜分布．不過(guò)去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油在硅太陽(yáng)電池的響應(yīng)光譜段300～1,200,nm范圍內(nèi)透過(guò)率都很高，而在長(zhǎng)波段會(huì)有不同程度的吸收，尤其是去離子水．這樣液浸液體同時(shí)可以充當(dāng)?shù)湍芰抗庾拥倪^(guò)濾器，而對(duì)太陽(yáng)電池有用的那部分光幾乎完全透過(guò)，非常有利于太陽(yáng)電池的散熱，并且容易組成熱電聯(lián)用系統(tǒng)．

圖4 候選液體的透過(guò)率曲線、AM1.5太陽(yáng)直射光譜以及單晶硅太陽(yáng)電池的外量子效率Fig.4 Transmittance curves of candidate liquids，AM 1.5D irradiance and EQE of silicon solar cell

把這 4種液浸液體的光譜透過(guò)率與太陽(yáng)電池的傳統(tǒng)封裝劑乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethyl vinyl acetate，EVA)或硅膠的透過(guò)率曲線[10]做比較，可以看出10,mm厚的去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的透過(guò)率都要優(yōu)于EVA或硅膠的．

為了定量評(píng)價(jià)這 4種液體的透過(guò)率對(duì)硅太陽(yáng)電池性能的影響大小，本文引入歸一化光電流密度Jnp，其定義式為

式中：T(λ)為液體的透過(guò)率；Qcell(λ)為硅太陽(yáng)電池的外量子效率；Isun(λ)為 AM1.5太陽(yáng)直射光譜；λ 為波長(zhǎng)；q 為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；c 為光速．

根據(jù)圖 4提供的液體透過(guò)率 T(λ)，硅太陽(yáng)電池外量子效率Qcell(λ)以及AM1.5太陽(yáng)直射光譜Isun(λ)利用式(11)可計(jì)算出當(dāng)硅太陽(yáng)電池上表面覆有10,mm液浸液體時(shí)的歸一化光電流密度 Jnp．計(jì)算結(jié)果顯示在圖5中，對(duì)應(yīng)的光譜波段為300～1,200,nm．

由圖5可看出，在硅太陽(yáng)電池的響應(yīng)光譜段300～1,200,nm內(nèi)，當(dāng)電池上表面分別覆有10,mm的去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油時(shí)，對(duì)應(yīng)的Jnp分別為0.938、0.975、0.984和0.987．由此看出，二甲基硅油液浸硅太陽(yáng)電池導(dǎo)致的功率損失最小，而去離子水引起的損失最大．去離子水浸沒(méi)產(chǎn)生的功率損失要比二甲基硅油多 5%左右．此結(jié)果可以作為評(píng)價(jià)液浸冷卻聚光光伏系統(tǒng)液體的依據(jù)．

圖5 硅電池表面覆有10,mm候選液體時(shí)的歸一化光電流密度(300～1,200,nm)Fig.5 Normalized photocurrent density of silicon solar cell covered by 10 mm liquid(300—1,200,nm)

4 結(jié) 論

(1) 基于本文提出的分光光度計(jì)測(cè)試步驟和光度學(xué)修正方法成功獲得了去離子水、異丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油 4種液浸液體在 280～2,000,nm波段的真實(shí)光譜透過(guò)率．這種方法對(duì)于獲取其他純液體的光譜透過(guò)率也是適用的．

(2) 和傳統(tǒng)封裝太陽(yáng)電池材料EVA或硅膠的光譜透過(guò)率相比，這 4種液體的光譜透過(guò)率要高，同樣光照下會(huì)獲得更多的功率．

(3) 基于硅太陽(yáng)電池的歸一化光電流密度的計(jì)算表明，二甲基硅油液浸硅電池導(dǎo)致的功率損失最小，去離子水引起的損失最大，后者要比前者多5%左右．為評(píng)選液浸冷卻聚光光伏系統(tǒng)的液體提供依據(jù)．

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Spectral Transmittance Analysis of Immersion Liquid for Cooling Concentrating Photovoltaic System

HAN Xin-yue1，WANG Yi-ping1,2，ZHU Li2
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

With liquid-immersion cooling used for concentrating photovoltaic(CPV)systems，the intensity and spectral range of the incident sunlight on the CPV cells would change. Therefore，the accurate measurement of the spectral transmittance of the candidate immersion liquids is very important. The spectral transmittances of deionised(DI)water，isopropyl alcohol(IPA)，ethyl acetate，and dimethyl silicon oil were measured through spectrophotometer. The real spectral transmittance was obtained by determining respective correction factors based on the developed photometry correction method. The spectral transmittances of the four candidate liquids were proved to be higher than that of conventional PV encapsulants. The calculated normalized photocurrent density of silicon solar cell indicated that dimethyl silicon oil immersion would cause the smallest power loss，while the largest loss occured with DI water. The power loss of the latter one was around 5% more than that of the former one.

concentrating photovoltaic；liquid immersion cooling；spectrophotometer；photometry correction；

TK514

A

0493-2137(2012)04-0338-05

2011-04-08；

2011-05-16.

中澳特別合作基金資助項(xiàng)目(2009DFA62570)；亞太清潔發(fā)展與氣候變化合作計(jì)劃資助APP6項(xiàng)目；國(guó)家留學(xué)基金資助項(xiàng)目．

韓新月（1982— ），女，博士研究生，hanxinyue123456@163.com.

朱 麗，zly_tj@163.com.