液浸聚光光伏系统中液体光谱透过率的分析

韩新月，王一平,，朱 丽

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津大学建筑学院，天津 300072)

液浸聚光光伏系统中液体光谱透过率的分析

韩新月1，王一平1,2，朱 丽2

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津大学建筑学院，天津 300072)

采用液浸冷却方式的聚光光伏系统中液体层的存在会改变入射到电池表面的光强与光谱分布，因此准确测量液浸液体的光谱透过率非常重要．通过分光光度计对去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油候选液体进行了检测，然后用光度学的方法修正得出了候选液体的真实光谱透过率．与传统封装太阳电池材料的光谱透过率相比，这 4种液浸液体的透过率要高．基于浸没硅太阳电池的归一化光电流密度分析得出二甲基硅油导致的功率损失最小，去离子水引起的损失最大，后者要比前者多5%左右．

聚光光伏；液浸冷却；分光光度计；光度学修正；液体光谱透过率

liquid spectral transmittance

聚光光伏(concentrating photovoltaic，CPV) 技术作为一种降低光伏发电成本的途径，近年来得到迅速发展[1-2]．但是聚光条件下的高光强促使太阳电池工作温度升高，而温度升高会导致太阳电池电压的急剧降低以及转换效率的下降[3]．因此在聚光条件下，需要对太阳电池进行冷却来保证太阳电池在较高效率下工作[4]．近年来，人们提出液浸聚光电池的新冷却方式，即将聚光电池置于流动的绝缘液体中，可消除传统主动与被动散热方式的间壁热阻，而且太阳电池的正反面均可作为有效的散热面积，使电池表面的温度分布均匀，实现高效冷却聚光电池的目的[5-9]．

对比传统封装结构，液浸聚光光伏系统中液浸液体层的存在会改变入射到聚光太阳电池表面的光强与光谱分布，这主要是因为液体会对不同波长的光产生不同程度的吸收，主要取决于液体本身的性质．所以准确测量和分析液浸液体的光谱透过率非常重要．但是利用分光光度计采用传统方法测得纯液体的透过率往往是相对于空气的，而且经常出现大于100%的情况，即比空气的透过率还要大，显然是不合理的[9]．通过分光光度计采用本文提出的测试步骤对几种候选液体先进行初步检测，然后采用光度学的方法对分光光度计检测引入的误差进行修正，从而获得这些液体的真实光谱透过率．同时与传统封装太阳电池材料的光谱透过率进行了对比．最后定量分析了不同液浸液体对硅太阳电池发电功率的影响．

1 测试用液浸液体

基于聚光光伏系统的工作特点及期望实现高效冷却聚光电池的目的，理想液浸液体需具备的性质包括：①良好的电绝缘性；②黏度低，传热性能好；③光谱透过率与太阳电池响应光谱匹配；④物化性质稳定；⑤无毒环保．综合考虑上述几个方面，本文选定去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油 4种液体进行光谱透过率分析，其物性参数见表1．

表1 去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的物性参数Tab.1 Properties of DI water，IPA，ethyl acetate，and dimethyl silicon oil

这4种液体的电绝缘性很好，折射率匹配可以起到减反射膜的作用．目前缺乏这些液体的光谱透过率，表1中的数据定性地说明了它们在可见光范围内透过率很高，而在紫外和近红外区的真实光谱透过率鲜见报道．

测试用液浸液体样品中的去离子水取自澳大利亚国立大学可持续系统能源中心，其电导率为0.30,μS/cm；异丙醇为 Sigma-Aldrich公司生产的分析纯试剂；乙酸乙酯为 Chem-Supply公司制造的；二甲基硅油从上海华羚公司购得．

2 测试和修正方法

2.1 测 试

采用LAMBDA 1050紫外/可见/近红外分光光度计(美国铂金埃尔默公司，紫外/可见光区的分辨率≤0.05,nm，近红外光区的分辨率≤0.20,nm)对上述4种液体进行280～2,000,nm光谱透过率的测定．

首先将标准模块安装到 LAMBDA,1050分光光度计上，按照测试要求设定相关参数，然后进行基线校正，这时测试光路不要放置任何样品池．基线校正后，将预先选好的一个样品池装满被测液体(文中使用 Hellma®光学石英比色皿，光程长 10,mm，波长范围为 200～2,500,nm)，放置于测试光路中，此时将获得透过率读数值T，波长间隔为1,nm．

但是在用分光光度计测量液体对某一波长的透过率时，尽管本文的测试步骤不同于传统方法的测试步骤，不过液体还是装在样品池中进行测量，这时空气和样品池以及液体和样品池接触界面的反射率会引入测试误差，同时还要考虑样品池本身的吸收．所以即使采用这种测试步骤，分光光度计获得的透过率也是不准确的，为此必须对测量值进行光度学修正．又由于所用石英比色皿和待测纯液体的透过率都很高，修正中仅考虑了入射光在样品池壁之间的一次反射的影响．

2.2 光度学修正

图1所示为测试光束通过样品池内装有被测液体时的情况．图1中，1、2、3、4分别表示测试光束所通过的样品池的4个界面，d为样品池薄壁厚度，α为薄壁吸收系数，n1为样品池的折射率，n0=1为空气折射率，液体折射率为n2．R1、R2、R3、R4表示当光束垂直入射样品池1、2、3、4界面时的表面反射率(实际测试时，光束都是垂直入射的)，并设 R1、R4为 R0，R2、R3为0R′，T∗为样品池中液体的真实透过率．I0为入射光束辐射能，I1为光束通过样品池后的辐射能．

图1 测试光束经过有被测液体样品池的透过率测量示意Fig.1 Diagram of transmittance of a light beam as it travels through a cuvette with liquid

在图1中，样品池内装有液体，根据菲涅尔反射公式计算第1和第4界面(即空气和样品池界面)的反射率为

第2和第 3界面由于与液体接触，其界面(即液体和样品池界面)反射率发生了变化．即．同样由菲涅尔公式计算可得

分析图1可得

由式(3)可得

假设

把式(5)和式(6)代入式(4)可得

由式(7)可见，要想获得液体光谱透过率的实际值，必须对分光光度计的测量结果按式(7)进行光度学修正．通过分析可知 K1是用于修正样品池本身的吸收以及空气和样品池两接触界面(界面 1和界面4)的反射损失，而 K2是用于修正液体和样品池两接触界面(界面2和界面3)的反射损失．

为获得 K1，首先需要准备一块与样品池同一材质制成的厚度与样品池壁厚相同的样品．本文选用的2,d厚光学石英块材质与Hellma®光学石英比色皿相同，厚度通过 Mitutoyo测厚仪证实，然后用LAMBDA 1050分光光度计和自带的积分球模块测量这个样品在280～2,000,nm的光谱透过率T1．图2所示为测试光束通过这块光学石英时的情况．

图2 测试光束经过2 d厚石英块的透过率测量示意Fig.2 Diagram of transmittance of a light beam as it travelsthrough quartz with 2d thickness

图2 中，1′、4′分别表示测试光束通过此石英块的 2个界面，2d为石英块的厚度，α为其吸收系数，n1为石英的折射率，n0=1为空气折射率．1R′、4R′表示当光束垂直入射石英块 1′、4′界面时的表面反射率．T1为石英块的光谱透过率．根据菲涅尔公式计算第1′和第4′界面(即空气和石英块界面)反射率为

分析图2可得

对比式(5)和式(9)可得

以去离子水为例，经过 K1修正后的光谱透过率曲线与修正前的测量曲线参见图 3．由图 3可以看出，样品池本身的吸收以及空气和样品池两接触界面(界面 1和界面 4)的反射在用分光光度计测量液体光谱透过率时的确引入了很大的误差．

图3 去离子水修正前和修正后(K1)的透过率曲线Fig.3 Transmittance curves of DI water before and after corrected (K1)

由于液体和样品池二者折射率接近，使得液体和样品池两接触界面(界面 2和界面 3)的反射损失很小，所以在计算 K2时，可以假定液体的折射率n2(见表 1)和石英样品池的折射率 n1=1.460不随波长变化，而且利用式(2)算出的去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油与石英样品池界面的反射率分别为 0.21%、0.09%、0.09%和 0.05%，这些数据也说明了假设的合理性．进而利用式(6)可得 K2．最后把获得的K1和K2代入式(7)就可算出去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的真实光谱透过率T∗．

3 结果与讨论

采用本文介绍的方法获得的去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油在 280～2,000,nm 波段范围内的实际光谱透过率曲线如图 4所示．图 4中同时也给出了这 4种液体在同台分光光度计上采用传统方法获得的大于100%的透过率曲线．

除了液浸液体的光谱透过率曲线外，图4还给出了AM1.5太阳直射光谱(direct normal+circumsolar at AM1.5，ASTM G173-03)以及单晶硅电池的外量子效率(external quantum efficiency，EQE)．给出 AM1.5太阳直射光谱而不是总光谱主要是因为聚光系统利用的光大部分都是直射光，对散射光利用很少．图 4显示的硅电池外量子效率是由美国可再生能源实验室测得的，是用于校正澳大利亚国立大学可持续能源系统中心的量子效率测试系统的．

由图4可以看出，利用分光光度计采用传统方法测得这 4种纯液体相对于空气的透过率的确出现了大于 100%的情况，即比空气的透过率还要大，这显然是不合理的．因此采用本文介绍的方法利用分光光度计获得纯液体的真实光谱透过率是很有意义的．而且图4还表明液浸液体层的存在会改变入射到太阳电池表面的光强与光谱分布．不过去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油在硅太阳电池的响应光谱段300～1,200,nm范围内透过率都很高，而在长波段会有不同程度的吸收，尤其是去离子水．这样液浸液体同时可以充当低能量光子的过滤器，而对太阳电池有用的那部分光几乎完全透过，非常有利于太阳电池的散热，并且容易组成热电联用系统．

图4 候选液体的透过率曲线、AM1.5太阳直射光谱以及单晶硅太阳电池的外量子效率Fig.4 Transmittance curves of candidate liquids，AM 1.5D irradiance and EQE of silicon solar cell

把这 4种液浸液体的光谱透过率与太阳电池的传统封装剂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethyl vinyl acetate，EVA)或硅胶的透过率曲线[10]做比较，可以看出10,mm厚的去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油的透过率都要优于EVA或硅胶的．

为了定量评价这 4种液体的透过率对硅太阳电池性能的影响大小，本文引入归一化光电流密度Jnp，其定义式为

式中：T(λ)为液体的透过率；Qcell(λ)为硅太阳电池的外量子效率；Isun(λ)为 AM1.5太阳直射光谱；λ 为波长；q 为电子电荷；h为普朗克常数；c 为光速．

根据图 4提供的液体透过率 T(λ)，硅太阳电池外量子效率Qcell(λ)以及AM1.5太阳直射光谱Isun(λ)利用式(11)可计算出当硅太阳电池上表面覆有10,mm液浸液体时的归一化光电流密度 Jnp．计算结果显示在图5中，对应的光谱波段为300～1,200,nm．

由图5可看出，在硅太阳电池的响应光谱段300～1,200,nm内，当电池上表面分别覆有10,mm的去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油时，对应的Jnp分别为0.938、0.975、0.984和0.987．由此看出，二甲基硅油液浸硅太阳电池导致的功率损失最小，而去离子水引起的损失最大．去离子水浸没产生的功率损失要比二甲基硅油多 5%左右．此结果可以作为评价液浸冷却聚光光伏系统液体的依据．

图5 硅电池表面覆有10,mm候选液体时的归一化光电流密度(300～1,200,nm)Fig.5 Normalized photocurrent density of silicon solar cell covered by 10 mm liquid(300—1,200,nm)

4 结 论

(1) 基于本文提出的分光光度计测试步骤和光度学修正方法成功获得了去离子水、异丙醇、乙酸乙酯和二甲基硅油 4种液浸液体在 280～2,000,nm波段的真实光谱透过率．这种方法对于获取其他纯液体的光谱透过率也是适用的．

(2) 和传统封装太阳电池材料EVA或硅胶的光谱透过率相比，这 4种液体的光谱透过率要高，同样光照下会获得更多的功率．

(3) 基于硅太阳电池的归一化光电流密度的计算表明，二甲基硅油液浸硅电池导致的功率损失最小，去离子水引起的损失最大，后者要比前者多5%左右．为评选液浸冷却聚光光伏系统的液体提供依据．

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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.

中澳特别合作基金资助项目(2009DFA62570)；亚太清洁发展与气候变化合作计划资助APP6项目；国家留学基金资助项目．

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

朱 丽，zly_tj@163.com.