【解析】3D打印技術 在光伏領域應用前景分析

能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,。隨著社會的發(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,。太陽能作為地球上最豐富的能源而備受關注,。目前,，太陽能電池是人們利用太陽能的一種重要方式，可將資源無限,、清潔干凈的太陽能轉(zhuǎn)換為電能,。其中，3D打印電極技術，由于金屬材料利用率高,，工藝過程簡單,、適合用于薄片電池，能更大程度節(jié)約電池生產(chǎn)成本,，因而越來越受到業(yè)內(nèi)關注,。

一、晶硅太陽能電池技術進展情況 光伏產(chǎn)業(yè)在過去10年中呈現(xiàn)40%以上的增長幅度,，成為世界上發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一,，2013年全球裝機總量已達38.4GW。據(jù)不完全統(tǒng)計,，現(xiàn)在我國從事太陽能新興技術產(chǎn)業(yè)研究,、開發(fā)、生產(chǎn)和應用的單位已經(jīng)超過1 000家,。自2008年,，我國就已成為全 球第一大太陽能電池生產(chǎn)國，太陽能電池的產(chǎn)量連續(xù)5年位列世界第一,。

在當前的光伏市場中,，主流產(chǎn)品是晶硅太陽能電池，其市場份額超過了85%,，商業(yè)化最高效率已經(jīng)達到22%以上,。預計在未來10年內(nèi)，晶硅太陽能電池仍將占據(jù)主導地位,。 隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，晶硅太陽能電池技術呈快速發(fā)展趨勢， 圖1為最近幾年的晶硅太陽能電池技術路線發(fā)展圖,。由圖可知,，晶硅太陽能電池技術主要集中在2大方向：一是在現(xiàn)有電池結構和工藝的基礎上，在一個或多個工序中引入新的生產(chǎn)工藝（如優(yōu)化的表面鈍化技術,、選擇性發(fā)射極技術,、優(yōu)化的表面織構化技術、點接觸技術及3D打印電極技術等）來提高電 池轉(zhuǎn)換效率,；

二是改變現(xiàn)有的電池結構,、工藝流程或材料（如HIT電池或價鍵飽和型太陽電池等）來提高電池轉(zhuǎn)換效率。 其中,，3D打印電極技術,，由于金屬材料利用率高，工藝過程簡單,、適合用于薄片電池,，能更大程度節(jié)約電池生產(chǎn)成本,，因而越來越受到業(yè)內(nèi)關注。

二,、3D打印電極技術在光伏
領域的應用現(xiàn)狀 目前,，在3D打印電極方面開展研究工作的國外研究機構有以色列的Xjet公司，德國的Fraunhofer ISE研究所,、Schimid公司,、Q-cell公司，美國的NERL實驗室,，韓國的機械材料研究院等,；國內(nèi)開展3D打印技術的廠家目前有上海神舟新能源有限公司、江蘇海潤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。

上述研究機構中,，除江蘇海潤光伏科技有限公司外,，其他機構所采用的3D打印技術仍是3D打印種子層加電鍍的方式形成電極。采用電鍍的方式會導致柵線寬度增加,、粗糙,，銀材料利用率低，生產(chǎn)成本高,，此外還存在環(huán)境污染的問題,。這種3D打印技術被定義為“第一代3D打印技術”。

“第二代3D打印技術”將采用全3D打印的方式,，柵線電極一次3D打印成型,，不但簡化了生產(chǎn)工藝，同時還有助于提高電池轉(zhuǎn)換效率,、降低生產(chǎn)成本,，實現(xiàn)精細化生產(chǎn)。 另外,，3D打印技術除了用在晶體 硅太陽電池以外,，也可以應用在薄膜電池上。如美國俄勒岡州立大學的研究者們使用3D打印技術成功地制造出了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池,，節(jié)約了90%的原材料,。麻省理工學院（MIT）則通過一臺特制3D打印機將薄膜太陽電池印刷到紙張上，這種電池目前可提供1.5%～2%的電池效率,。

三,、3D打印電極技術分析

1.納米銀墨水的制備
在3D打印技術當中，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行次數(shù)等因素，這個比率實際上應該更小,，傳統(tǒng)的微米級導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,，通過濕化學的方法制備出平均顆粒直徑為3nm的納米銀,，再與玻璃相和有機溶劑按一定的配比進行混合，最后制備出特有的納米銀墨水,。其中,，有機溶劑有20多種材料組 成，可使銀顆粒均勻分散其中而不會發(fā)生凝聚,，確保3D印刷的質(zhì)量,，同時也可保證打印機頭具有較好的性能。 當前納米銀墨水的研究和生產(chǎn)還主要集中在一些發(fā)達國家,，如韓國的ANP,、ABC Nano Tech、InkTec,，日本的ULVAC,、住友化工(SEI)，以色列的PVN,、Xjet公司,，美國的ANI、Nanodynamics,、PCima Nanotech,、Ferro、Innovalight公司及德國拜耳(Bayer Corporation)等多家知名企業(yè),。而我國在此方面的研究才剛剛起步,，暫還沒有具有獨立自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品出現(xiàn)。

2.3D打印技術原理
圖3是3D打印設備的外觀圖,，圖4是3D打印的工作原理圖,。納米銀墨水通過打印機頭上的小孔噴射到電池表面。每個打印機機頭有200多個小孔,，任何一個小孔堵住了,，都有充足的替補。在打印過程中,，小孔控制液滴一層一層噴射,，每個小孔可控制不同的材料進行噴射,。 打印設備帶有真空吸盤，硅片由機械手放置于真空吸盤上吸住,，通過激光對硅片進行定位后就可打印,，6個機頭一次打印6條細柵線（圖5），交錯打印完所有細柵線,，然后旋轉(zhuǎn)90°,，由照相機監(jiān)測，打印主柵線（圖6）,，最后在250℃下加熱,，完成打印過程。

整個過程都在程序監(jiān)控中,，機頭出現(xiàn)問題,，程序會自動對機頭進行更換。 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，在燒結過程中玻璃料下降的速度不一致,，會造成如果燒結溫度過高就會燒穿結構中的N層，溫度過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，在燒結過程中就不會出現(xiàn)玻璃料下降速度不一致的情況,，并能有效降低后續(xù)的燒結溫度,。

3.技術優(yōu)勢分析
目前，商業(yè)化的晶體硅太陽電池有90%以上采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術形成柵線電極,。然而受絲網(wǎng)印刷技術精度和電極材料銀漿的限制,，印刷細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打印技術是一種新型的電極金屬化技術。作為非接觸式的電極制作方法,，其具有以下優(yōu)勢：
①金屬材料利用率高,，工藝過程更簡單，形狀及陡度可控制,；
②與絲網(wǎng)印刷相比,，可以得到更細的柵線(<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,；
④3D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%,，同時也有利于實現(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,。作為新一代金屬化技術，3D打印必將替代傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷,，促進光伏行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化技術升級,。

四、3D打印技術未來應用前景分析
1.可提升太陽電池轉(zhuǎn)換效率
太陽電池前表面的柵線電極越細,，電極遮擋所帶來的光學損失就會越小,。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,，否則就會出現(xiàn)嚴重的斷柵現(xiàn)象,。目前柵線的設計寬度為35～45μm，燒結后柵線寬度在60～70μm左右,，已接近極限值,。柵線高寬比已很難再提高，同時由 于印刷的柵線均勻性較差,、印刷節(jié)點多等缺點,，使其成為制約晶體硅電池降低成本、提升效率的一個主要障礙,。高效電池的研究常采用光刻和蒸鍍方法制備細柵電極,，但是工藝步驟復雜，生產(chǎn)成本很高,，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。 利用3D打印技術可直接在硅片上精確打印出3D正面柵線圖案，細柵寬度可降低至40μm以下,，電極高度可以按設計要求做到非均勻分布,，工藝簡單、精度高。此外,，還可實現(xiàn)分層打印不同材料,，構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,、提高電流強度和焊接性能。傳統(tǒng)印刷結構與3D打印結構的比較見圖7所示,。

2.可降低太陽電池的生產(chǎn)成本
常規(guī)晶體硅太陽電池的銀電極材料成本約占太陽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電池制造成本的關鍵,。保守估計，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%，太陽電池成本將下降0.3～0.5元/W,。

3.3D打印電極材料可以和高方阻發(fā)射極完美結合
方塊電阻越高,，電池對短波響應越好，產(chǎn)生的電流強度就會越大,。目前,，常規(guī)電池的方塊電阻可以做到80～90Ω/□，現(xiàn)有的銀漿材料在更高的方塊電阻下很難與發(fā)射級形成良好的歐姆接觸,。納米銀墨水材料,，可以在低摻雜表面（如方塊電阻達到120Ω/□時）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到20%以上。

4.可廣泛應用于各類太陽電池新技術
隨著電池新技術的開發(fā),，如背面鈍化太陽電池,、雙面太陽電池、背結背接觸電池等,，太陽電池的生產(chǎn)方式將會發(fā)生革命性的變革,，未來晶硅太陽電池將向更高效率、更薄硅片,、更低成本方向發(fā)展,。3D打印技術可與高效電池制造完美結合，簡化高效電池的制備工藝,，加快低成本,、高效電池的產(chǎn)業(yè)升級。

綜上所述,，3D打印技術不僅能打印出分辨力高,、導電性好的柵線,，而且能夠降低生產(chǎn)成本，可以和高方阻發(fā)射極完美結合并應用于各類太陽電池新技術,。國內(nèi)外都在積極研究及應用推廣該技術的發(fā)展,，所以，3D打印技術應用于太陽能電池的制造工藝將是大勢所趨,，這一技術也會帶來太陽能電池質(zhì)量和效率 的大幅提高,。

編輯：南極熊
文/張愿成   吳新正   鄭建華   敖毅偉    上海太陽能工程技術研究中心有限公司