晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)路線發(fā)展

晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)路線發(fā)展

一、太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀電力是人類社會(huì)生活和發(fā)展的重要支柱。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、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的單位已經(jīng)超過(guò)1000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。二、3打印技術(shù)在其他機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用目前,在3D打印電極方面開展研究工作的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)有以色列的Xjet公司,德國(guó)的FraunhoferISE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?D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。三、3d打印電極技術(shù)分析1.合成正面銀漿的難度在3D打印技術(shù)當(dāng)中,需要采用專用的納米銀墨水,這種墨水包含的銀微粒最大直徑需小于噴口直徑的1/10,以避免橋連和阻塞現(xiàn)象,考慮到噴口形狀和運(yùn)行次數(shù)等因素,這個(gè)比率實(shí)際上應(yīng)該更小,傳統(tǒng)的微米級(jí)導(dǎo)電漿料不能滿足要求。而納米銀墨水所含(分散)的金屬顆粒尺寸等級(jí)是在1nm左右的產(chǎn)品,與傳統(tǒng)正面銀漿相比,其制備難度更大。圖2為納米銀墨水的制備原理。利用醋酸銀,通過(guò)濕化學(xué)的方法制備出平均顆粒直徑為3nm的納米銀,再與玻璃相和有機(jī)溶劑按一定的配比進(jìn)行混合,最后制備出特有的納米銀墨水。其中,有機(jī)溶劑有20多種材料組成,可使銀顆粒均勻分散其中而不會(huì)發(fā)生凝聚,確保3D印刷的質(zhì)量,同時(shí)也可保證打印機(jī)頭具有較好的性能。當(dāng)前納米銀墨水的研究和生產(chǎn)還主要集中在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如韓國(guó)的ANP、ABCNanoTech、InkTec,日本的ULVAC、住友化工(SEI),以色列的PVN、Xjet公司,美國(guó)的ANI、Nanodynamics、PCimaNanotech、Ferro、Innovalight公司及德國(guó)拜耳(BayerCorporation)等多家知名企業(yè)。而我國(guó)在此方面的研究才剛剛起步,暫還沒(méi)有具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品出現(xiàn)。2.3打印設(shè)備及程序監(jiān)控圖3是3D打印設(shè)備的外觀圖,圖4是3D打印的工作原理圖。納米銀墨水通過(guò)打印機(jī)頭上的小孔噴射到電池表面。每個(gè)打印機(jī)機(jī)頭有200多個(gè)小孔,任何一個(gè)小孔堵住了,都有充足的替補(bǔ)。在打印過(guò)程中,小孔控制液滴一層一層噴射,每個(gè)小孔可控制不同的材料進(jìn)行噴射。打印設(shè)備帶有真空吸盤,硅片由機(jī)械手放置于真空吸盤上吸住,通過(guò)激光對(duì)硅片進(jìn)行定位后就可打印,6個(gè)機(jī)頭一次打印6條細(xì)柵線(圖5),交錯(cuò)打印完所有細(xì)柵線,然后旋轉(zhuǎn)90°,由照相機(jī)監(jiān)測(cè),打印主柵線(圖6),最后在250℃下加熱,完成打印過(guò)程。整個(gè)過(guò)程都在程序監(jiān)控中,機(jī)頭出現(xiàn)問(wèn)題,程序會(huì)自動(dòng)對(duì)機(jī)頭進(jìn)行更換。另外,傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷使用的銀漿料中玻璃相與銀完全混合在一起,并由于玻璃料顆粒的大小不均,在燒結(jié)過(guò)程中玻璃料下降的速度不一致,會(huì)造成如果燒結(jié)溫度過(guò)高就會(huì)燒穿結(jié)構(gòu)中的N層,溫度過(guò)低則燒不穿氮化硅層而不能形成良好歐姆接觸的情形。而3D打印技術(shù)避免了上述可能,先在硅片上打印一層富含玻璃料和少量銀的墨水,再打印上一層富含銀的墨水,分2層打印,這樣玻璃料都集中在下層,在燒結(jié)過(guò)程中就不會(huì)出現(xiàn)玻璃料下降速度不一致的情況,并能有效降低后續(xù)的燒結(jié)溫度。3.d打印電極制作的優(yōu)勢(shì)目前,商業(yè)化的晶體硅太陽(yáng)電池有90%以上采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成柵線電極。然而受絲網(wǎng)印刷技術(shù)精度和電極材料銀漿的限制,印刷細(xì)柵的高寬比很難再有提高的空間,這已經(jīng)成為制約晶體硅電池降低成本、提升效率的主要障礙之一。3D打印技術(shù)是一種新型的電極金屬化技術(shù)。作為非接觸式的電極制作方法,其具有以下優(yōu)勢(shì):(1)金屬材料利用率高,工藝過(guò)程更簡(jiǎn)單,形狀及陡度可控制;(2)與絲網(wǎng)印刷相比,可以得到更細(xì)的柵線(<40μm),分辨率是絲網(wǎng)印刷的3~10倍,速度是絲網(wǎng)印刷的3倍;(3)非接觸加工特征使得3D打印工藝適合用于薄片電池或柔性電池的電極制作;(4)3D打印專用的納米銀墨水顆粒比絲網(wǎng)印刷漿料金屬顆粒更小,易于形成更佳的歐姆接觸;(5)可混合多種不同的金屬材料,且可精確疊加每一層材料,銀耗量可以降低50%,同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)電極賤金屬化。總之,3D打印電極作為一種非接觸電極的制作方法,與絲網(wǎng)印刷相比具有明顯地優(yōu)勢(shì)。作為新一代金屬化技術(shù),3D打印必將替代傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷,促進(jìn)光伏行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)升級(jí)。四、3d-打印技術(shù)未來(lái)應(yīng)用的前景分析1.雙面柵線、細(xì)柵電極的設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池前表面的柵線電極越細(xì),電極遮擋所帶來(lái)的光學(xué)損失就會(huì)越小。受絲網(wǎng)印刷精度的限制,絲網(wǎng)印刷柵線的寬度有一定的極限,否則就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的斷柵現(xiàn)象。目前柵線的設(shè)計(jì)寬度為35~45μm,燒結(jié)后柵線寬度在60~70μm左右,已接近極限值。柵線高寬比已很難再提高,同時(shí)由于印刷的柵線均勻性較差、印刷節(jié)點(diǎn)多等缺點(diǎn),使其成為制約晶體硅電池降低成本、提升效率的一個(gè)主要障礙。高效電池的研究常采用光刻和蒸鍍方法制備細(xì)柵電極,但是工藝步驟復(fù)雜,生產(chǎn)成本很高,無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。利用3D打印技術(shù)可直接在硅片上精確打印出3D正面柵線圖案,細(xì)柵寬度可降低至40μm以下,電極高度可以按設(shè)計(jì)要求做到非均勻分布,工藝簡(jiǎn)單、精度高。此外,還可實(shí)現(xiàn)分層打印不同材料,構(gòu)成電極的不同功能層,并有助于形成高的高寬比,改善歐姆接觸、提高電流強(qiáng)度和焊接性能。傳統(tǒng)印刷結(jié)構(gòu)與3D打印結(jié)構(gòu)的比較見圖7所示。2.極材料常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池的銀電極材料成本約占太陽(yáng)電池非硅成本的一半。因此,減少銀電極材料的用量、采用賤金屬取代貴金屬銀是降低太陽(yáng)電池制造成本的關(guān)鍵。保守估計(jì),利用3D打印專用的納米銀墨水可節(jié)省銀電極耗量50%以上。如能實(shí)現(xiàn)電極材料的賤金屬化,則電極材料的成本至少可降低70%,太陽(yáng)電池成本將下降0.3~0.5元/W。3.3反滲透膜的表面改性方塊電阻越高,電池對(duì)短波響應(yīng)越好,產(chǎn)生的電流強(qiáng)度就會(huì)越大。目前,常規(guī)電池的方塊電阻可以做到80~90?/□,現(xiàn)有的銀漿材料在更高的方塊電阻下很難與發(fā)射級(jí)形成良好的歐姆接觸。納米銀墨水材料,可以在低摻雜表面(如方塊電阻達(dá)到120?/□時(shí))形成很好的歐姆接觸;配合鈍化工藝,可以使電池效率可以達(dá)到20%以上。4.晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展趨勢(shì)隨著電池新技術(shù)的開發(fā),如背面鈍化太陽(yáng)電池、雙面太陽(yáng)電池、背結(jié)背接觸電池等,太陽(yáng)電池的生產(chǎn)方式將會(huì)發(fā)生革命性的變革,未來(lái)晶硅太陽(yáng)電池將向更高效率、更薄硅片、更低成本方向發(fā)展。3D打印技術(shù)可與高效電池制造完美結(jié)合,簡(jiǎn)化