3D打印技術(shù)在光伏領(lǐng)域應(yīng)用
一、晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)進(jìn)展情況
能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展,煤炭、石油等不可再生資源的日益減少,開(kāi)發(fā)清潔能源迫在眉睫。太陽(yáng)能作為地球上最豐富的能源而備受關(guān)注。目前,太陽(yáng)能電池是人們利用太陽(yáng)能的一種重要方式,可將資源無(wú)限、清潔干凈的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。
光伏產(chǎn)業(yè)在過(guò)去10年中呈現(xiàn)40%以上的增長(zhǎng)幅度,成為世界上發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一,2013年全球裝機(jī)總量已達(dá)38.4GW。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),現(xiàn)在我國(guó)從事太陽(yáng)能新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的單位已經(jīng)超過(guò)1 000家。自2008年,我國(guó)就已成為全球第一大太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó),太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量連續(xù)5年位列世界第一。
在當(dāng)前的光伏市場(chǎng)中,主流產(chǎn)品是晶硅太陽(yáng)能電池,其市場(chǎng)份額超過(guò)了85%,商業(yè)化最高效率已經(jīng)達(dá)到22%以上。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi),晶硅太陽(yáng)能電池仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)呈快速發(fā)展趨勢(shì), 圖1為最近幾年的晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)路線發(fā)展圖。由圖可知,晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)主要集中在2大方向:一是在現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上,在一個(gè)或多個(gè)工序中引入新的生產(chǎn)工藝(如優(yōu)化的表面鈍化技術(shù)、選擇性發(fā)射極技術(shù)、優(yōu)化的表面織構(gòu)化技術(shù)、點(diǎn)接觸技術(shù)及3D打印電極技術(shù)等)來(lái)提高電池轉(zhuǎn)換效率;二是改變現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)、工藝流程或材料(如HIT電池或價(jià)鍵飽和型太陽(yáng)電池等)來(lái)提高電池轉(zhuǎn)換效率。
其中,3D打印電極技術(shù),由于金屬材料利用率高,工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、適合用于薄片電池,能更大程度節(jié)約電池生產(chǎn)成本,因而越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。
圖 1 晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)路線圖
二、3D打印電極技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前,在3D打印電極方面開(kāi)展研究工作的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)有以色列的Xjet公司,德國(guó)的Fraunhofer ISE研究所、Schimid公司、Q-cell公司,美國(guó)的NERL實(shí)驗(yàn)室,韓國(guó)的機(jī)械材料研究院等;國(guó)內(nèi)開(kāi)展3D打印技術(shù)的廠家目前有上海神舟新能源有限公司、江蘇海潤(rùn)光伏科技有限公司和保定英利綠色能源控股有限公司,具體情況見(jiàn)表1。
上述研究機(jī)構(gòu)中,除江蘇海潤(rùn)光伏科技有限公司外,其他機(jī)構(gòu)所采用的3D打印技術(shù)仍是3D打印種子層加電鍍的方式形成電極。采用電鍍的方式會(huì)導(dǎo)致柵線寬度增加、粗糙,銀材料利用率低,生產(chǎn)成本高,此外還存在環(huán)境污染的問(wèn)題。這種3D打印技術(shù)被定義為“第一代3D打印技術(shù)”�!暗诙�3D打印技術(shù)”將采用全3D打印的方式,柵線電極一次3D打印成型,不但簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝,同時(shí)還有助于提高電池轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)。
另外,3D打印技術(shù)除了用在晶體硅太陽(yáng)電池以外,也可以應(yīng)用在薄膜電池上。如美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的研究者們使用3D打印技術(shù)成功地制造出了銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池,節(jié)約了90%的原材料。麻省理工學(xué)院(MIT)則通過(guò)一臺(tái)特制3D打印機(jī)將薄膜太陽(yáng)電池印刷到紙張上,這種電池目前可提供1.5%~2%的電池效率。
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