美國空軍研究實驗室通過3D打印降低太陽能電池制造成本

2017-07-31 14:57:17 大云網　點擊量：評論 (0)

在IDTECHEX關于3D打印電子和光伏市場預測的研究報告中，可以看到3D打印光伏的市場呈逐步擴大的趨勢。根據科學雜志先進能源材料(National Energy Materials)發表的一項新研究，美國空軍研究實驗室(AFRL)的研究人

在IDTECHEX關于3D打印電子和光伏市場預測的研究報告中，可以看到3D打印光伏的市場呈逐步擴大的趨勢。

根據科學雜志“先進能源材料”(National Energy Materials)發表的一項新研究，美國空軍研究實驗室(AFRL)的研究人員正在采用3D打印方式，獲得太陽能電池，并且他們發現了這其中大量未開發的應用潛力。

“太陽能是豐富的，它是免費的，”，AFRL制造局的項目科學家Bag說。 “太陽能電池可以以環保的方式發電，但目前復雜的制造成本使得技術成本高昂，我們正在研究材料和制造技術的新途徑，使其成本更低。”

在蓬勃發展的太陽能產業中，效率是成功的關鍵因素，但并不是一個容易達到的途徑。自從20世紀50年代人們開始研究太陽能電池以來，這項技術仍然復雜而且勞動密集。其中包括純硅必須從原始材料中提取(石英砂是最常用的兩種材料之一)，然后轉化成薄晶片。隨后通過化學品處理這些硅晶片以形成極化電場。半導體、電池被封裝在專門的支撐系統中，以便組成一個光伏模塊，從而收集并將陽光的能量轉換成電流。

使用太陽能的固有成本并不高，但與制造過程相關的高昂成本是廣泛采用太陽能發電的嚴重障礙。

圖片：傳統方式制造的太陽能

Bag的團隊一直在努力探索創新解決方案。 “如果你想讓太陽能發電具有市場競爭力，你需要使太陽能電池更有效率和更具成本效益，”Bag說,“硅電池使用純無機材料，本質上非常困難，我們需要一種易于打印的材料，同時能夠捕獲陽光。”

找到合適材料的機遇很快就出現了 – 這種材料可以為無機、硬質硅提供可行的替代品。薄膜鈣鈦礦被證明具有優異的光吸收能力和強大的功率轉換效率。然而，最近才被考慮作為太陽能發電能力的材料，Bag的研究專注于通過超聲波霧化鈣鈦礦前體材料，這使得可以將細小的氣溶膠微滴轉移到氣溶膠噴射噴墨打印機噴嘴中。在CAD建模提供的路徑指引下，材料可以按照一定的方式涂覆到適當的表面上，從而創建一個太陽能電池。

應用前景可能是無窮無盡的，使用這種材料和3D打印工藝，AFRL發現可以制造用于在衣服上的柔性太陽能電池。還可以用到自動機器人、發光裝置，甚至靈活的自供電傳感器上。

可以肯定的是，研究還處于初級階段，但新制造過程的潛在影響是不能低估的，因為這其中成本節約可能是巨大的。

關于3D打印在太陽能領域的應用，國際上已經出現了各種解決方案。

2015年，澳洲的一支科學家團隊研發出一種薄如紙片的有機可打印太陽能板，它甚至能為一整棟摩天大樓提供能源。研發者希望能夠在不遠的將來，以低能源為應用起點，逐步實現這種新型發電裝置的商業化制造。這項技術可有效減少發達國家對傳統能源的依賴，同時，也能為發展中國家提供一種經濟、可實行的電力來源。與傳統太陽能電池板不同的是，這些太陽能電池紙可以在包括玻璃和屋頂等實際的房屋位置上被直接打印出來。除了用在大型建筑物上，研發者還試圖嘗試將這些單元用于小物體，比如風靡全球的iPad。如果這一設想能實現，那么iPad的表面、筆記本背包和手機外殼將不僅僅充當包裹作用，它們還可以成為能源收集器，為這些可移動設備提供電能。

2015年，賓州州立大學(PennStateUniversity)聯合伊利諾伊大學、UrbanaChampaign和3D打印光學器件廠商LUXeXcel的研究人員通過3D打印開發出更經濟高效的太陽能系統。為了讓CPV在普通的屋頂上使用，研究者將小型化的砷化鎵光伏電池、3D打印的塑料透鏡陣列和一個可移動的聚焦機構結合在一起，以減少CPV系統的大小、重量和成本。這些電池都小于1平方毫米，經過批量制造出來之后，然后將其以陣列的形式轉移到一種薄玻璃或塑料片材上面。為了將太陽光聚焦在電池陣列上，研究人員將它們嵌入到一對3D打印的塑料透鏡陣列之間。頂部透鏡陣列中的每個小透鏡的作用就像一個小放大鏡，而底部陣列的小透鏡則起到凹面鏡的功能，兩者正好匹配。而微型太陽能電池正好位于兩個透鏡中間的焦點處，在這個位置陽光被增強了超過200倍。而且在一天之內隨著太陽的移動，中間的太陽能電池板沿著軌道在小透鏡陣列之間橫向滑動，因為焦點的位置在移動。

2015年，西班牙的Oxolutia公司也利用3D打印技術研制出了令一種全新的光電池：Solar Oxides。Solar Oxides意為太陽能氧化物，這是一種非常柔性的光伏太陽能電池，可通過3D打印制造。工程師團隊使用了噴墨3D打印技術，該技術可以精確控制液滴在對象表面上的沉積，然后開發人員結合化學溶液沉積方法制造出氧化物薄膜，這些薄膜正好是太陽能電池所需要的。

不僅僅是國外的公司在3D打印太陽能電池方面取得了一系列的進展，我國的華中科技大學也在這個領域獲得了突破。目前研究的鈣鈦礦電池主要沉積在導電玻璃(FTO，ITO)上，由于玻璃的易碎性，大大的限制了鈣鈦礦電池的應用。可穿戴電子設備的逐漸發展，柔性光電子器件研發受到了人們的重視。鈣鈦礦電池屬于薄膜電池，其在一定程度上具有彎曲的能力，因而，柔性鈣鈦礦電池器件的制備成為可能。

華中科技大學針發明了柔性鈣鈦礦太陽能電池的結構，其目的在于通過采用高電導率的金屬作為底電極取代傳統的導電性較差的ITO，減小底電極電阻，使其具備制備大面積器件的潛能。3D科學谷了解到華中科技大學還通過采用無需高溫加熱的摻雜電子收集層收集電子，解決了柔性基底耐熱性差的難題。華中科技大學的柔性鈣鈦礦太陽能電池可以應用在曲面墻壁，汽車頂端等不能用剛性材料的發電裝置上，能夠在不影響器件性能的情況下彎曲。

或許，隨著這些研究的深入，讓覆蓋有太陽能電池板的汽車實現晴天無限里程的暢弛不再是夢想。