3D打印技術(shù)在光伏領(lǐng)域應用

能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。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(guān)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(shù),，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(guān)注,。

晶硅太陽能電池技術(shù)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(shù)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(shù)呈快速發(fā)展趨勢， 晶硅太陽能電池技術(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(shù),、選擇性發(fā)射極技術(shù)、優(yōu)化的表面織構(gòu)化技術(shù),、點接觸技術(shù)及3D打印電極技術(shù)等）來提高電池轉(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電池或價鍵飽和型太陽電池等）來提高電池轉(zhuǎn)換效率,。

  晶體硅太陽能電池技術(shù)路線圖

3D打印電極技術(shù)在光伏領(lǐng)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(gòu)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(shù)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,。

　　上述研究機構(gòu)中,，除江蘇海潤光伏科技有限公司外，其他機構(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(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(shù)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(shù)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。

3D打印電極技術(shù)分析
1.納米銀墨水的制備
　　在3D打印技術(shù)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,。

　　納米銀墨水的制備原理,，主要是利用醋酸銀，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,。

納米銀墨水的制備過程

　　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(quán)的產(chǎn)品出現(xiàn),。

2.3D打印技術(shù)原理
　,。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。

3D打印設(shè)備

3D打印工作原理圖

　　打印設(shè)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,，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,，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,。

3D打印機頭實物

主柵打印示意釁

　　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)過程中玻璃料下降的速度不一致,，會造成如果燒結(jié)溫度過高就會燒穿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(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(jié)溫度,。

3.技術(shù)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(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：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(shù),，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(shù)升級。

3D打印技術(shù)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(shè)計寬度為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(shù)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(shè)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(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,、提高電流強度和焊接性能。

  2種傳統(tǒng)印刷結(jié)構(gòu)與3D打印結(jié)構(gòu)比較

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(guān)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(jié)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120 Ω/□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(shù)
　　隨著電池新技術(shù)的開發(fā),，如背面鈍化太陽電池,、雙面太陽電池、背結(jié)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(shù)可與高效電池制造完美結(jié)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(shù)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(jié)合并應用于各類太陽電池新技術(shù),。國內(nèi)外都在積極研究及應用推廣該技術(shù)的發(fā)展，所以,，3D打印技術(shù)應用于太陽能電池的制造工藝將是大勢所趨,，這一技術(shù)也會帶來太陽能電池質(zhì)量和效率的大幅提高。

來源：新材料在線
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