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用于光伏材料分析的近红外光谱

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紧凑型模块化光谱仪是一很有吸引力的工具,适用于光伏材料的研究和生产。应用包括太阳能电池材料的评估和太阳能电池模块生产中的质量控制。

我们评估了近红外光谱,将其作为一种测量光伏电池板(模块)所用材料的方法。一家薄膜光伏电池板制造商要求对若干专有镀膜玻璃样品进行近红外反射率的分析。在环境实验室照明条件下,从 1200-2100nm 进行测量。

由于光伏电池板的吸光度特性对于太阳能电池单元的效率至关重要,因此确定电池板边缘和其他处的反射率是这些区域光损耗的良好指标。使用抗反射涂层和玻璃掺杂剂是许多材料制造商可以使用的方法之一,旨在提高能量转换效率。

实验条件

使用定制的 100 um 入射狭缝的 Ocean Insight NIR 光谱仪分析了五个镀膜玻璃样品,并针对 1200-2100 nm 的范围进行了优化。(预先配置的 NIRQuest+2.2 覆盖了 900-2200 nm,是当今光谱仪的首选。) 取样装置由 钨卤素光源、400 μm 反射探头 光学台组成。使用 镜面反射标准板 作为参考。光谱仪操作软件已完成设置。

将玻璃样品置于样品支架上,没有镀膜的一面朝下,以确保探头测量从镀膜透过玻璃的反射。将探头定位在 90° 处以测量镜面反射率的光学台。

测量是在高空照明条件下进行的。高功率钨卤素光源可提供 360-2000 nm 的连续照明。在 ~7.0cm 处测量每个样品从反射探头的尖端到样品表面的距离,以模拟生产条件。

Ocean Insight NIRQuest+ 光谱仪采用增强型光学台式设计,其灵敏度高,在 900-2500 的近红外波长下检测限值较小。NIRQuest+ 热稳定性极佳,可用于实验室或生产线上(如传送带上),因为其较高的灵敏度可让用户在较短的集成时间内捕捉必要的光谱。此外,在较长的波长下,如在太阳能电池板材料的评估中,NIRQuest+ 测量低噪声水平下的漫反射,从而在难以捕获不同光谱特征的波长下产生更清洁的光谱。

结果

样品的反射光谱表明,在所有五个样品中,反射值是一个波长正相关的函数,峰值约为 2000 nm(图 1)。另外,最小反射样品和最大反射样品之间的差别在波长范围的下限和上限处相对较小,其中观察到的最大变化接近 1700nm。捕获光谱时未应用平均或滑动平均功能。

PhotovoltaicsBlog_Figure 1 - Reflectivity of PV Materials.jpg

图 1. NIR 镜面反射测量揭示了评估用于光伏板的镀膜玻璃样品的光谱差异。

镀膜样品的反射强度在较小波长下为 ~25%,在较大波长下高达 80%。这些值与镜面反射率的参考有关,该标准板在所有近红外波长上具有几乎 " 平坦 " 的反射率。

结论:

随着光伏材料开发商寻求提高电池效率,对用于评估玻璃镀膜、掺杂剂和其他材料的方便分析工具的需求非常大。可以配置用于研究实验室和生产线应用的近红外光谱仪等光学传感系统。

近红外光谱法可以用于确定镀膜玻璃样品彼此之间的反射率以及确定已知反射率标准板。因此,可以使用 Ocean Insight 光谱仪和配件推断样品涂层的太阳能捕获效率。

 

以下是最近关于太阳能材料分析的开源论文和引用的一小部分:

1. Anaya, M., Correa-Baena, J.P., Lozano, G., Saliba, M., Anguita, P., Roose, B., Abate, A., Steiner, U., Grätzel, M., Calvo, M.E., Hagfeldt, A., and Míguez, H., “Optical analysis of CH3NH3SnxPb1-xI3 absorbers: a roadmap for perovskite-on-perovskite tandem solar cells,” Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4, 11214-11221

2. Cacovich, S., Divitini, G., Ireland, C., Matteocci, F., DiCarlo, A., and Ducati, C., “Elemental Mapping of Perovskite Solar Cells Using Multivariate Analysis: an Insight of Degradation Processes,” ChemSusChem, Vol. 9, Issue 18, Sept. 22, 2016.

3. Karin, T., and Jain, A., “Visual Characterization of Anti-Reflective Coating on Solar Module Glass,” 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, added to IEEE Explore 05 January 2021 (citation only)

4. Karin, T., and Miller, D., “Nondestructive Characterization of Antireflective Coatings on PV Modules,” IEEE Journal of Photovoltaics, Volume 11, Issue: 3, May 2021 (citation only)

5. Liu, Y., Yangui, A., Kiligaridis, A., Moons, E., Gao, F., Ingañas, O., Scheblykin, I.G., and Zhang, F., In Situ Optical Studies on Morphology Formation in Organic Photovoltaic BlendsSmall Methods, 13 September 2021.

6. Merdasa, A., Rehermann, C., Hirselandt, K., Li, J., Maus, O., Mathies, F., Unold, T., Dagar, J., Munir, R. and Unger, E., “Eye in the process: Formation of ‘triple cation’ perovskite thin films rationalized by in-situ optical monitoring,” Research Square preprint, Version 1, posted 04 November, 2020.

7. Zhang, Y., Wang, N., Wang, Y., Zhang, J., Liu, J. and Wang, L. All-polymer indoor photovoltaic modulesiScience, Volume 24, Issue 10, 22 October 2021.

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Tracey Jones Graphic designer

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