美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)3D打印降低太陽(yáng)能電池制造成本

在IDTECHEX關(guān)于3D打印電子和光伏市場(chǎng)預(yù)測(cè)的研究報(bào)告中，可以看到3D打印光伏的市場(chǎng)呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

根據(jù)科學(xué)雜志“先進(jìn)能源材料”(National Energy Materials)發(fā)表的一項(xiàng)新研究，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的研究人員正在采用3D打印方式，獲得太陽(yáng)能電池，并且他們發(fā)現(xiàn)了這其中大量未開(kāi)發(fā)的應(yīng)用潛力。

“太陽(yáng)能是豐富的，它是免費(fèi)的，”，AFRL制造局的項(xiàng)目科學(xué)家Bag說(shuō)。 “太陽(yáng)能電池可以以環(huán)保的方式發(fā)電，但目前復(fù)雜的制造成本使得技術(shù)成本高昂，我們正在研究材料和制造技術(shù)的新途徑，使其成本更低。”

在蓬勃發(fā)展的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)中，效率是成功的關(guān)鍵因素，但并不是一個(gè)容易達(dá)到的途徑。自從20世紀(jì)50年代人們開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)仍然復(fù)雜而且勞動(dòng)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(zhuǎn)化成薄晶片。隨后通過(guò)化學(xué)品處理這些硅晶片以形成極化電場(chǎng)。半導(dǎo)體、電池被封裝在專門的支撐系統(tǒng)中，以便組成一個(gè)光伏模塊，從而收集并將陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換成電流。

使用太陽(yáng)能的固有成本并不高，但與制造過(guò)程相關(guān)的高昂成本是廣泛采用太陽(yáng)能發(fā)電的嚴(yán)重障礙。

圖片：傳統(tǒng)方式制造的太陽(yáng)能

Bag的團(tuán)隊(duì)一直在努力探索創(chuàng)新解決方案。 “如果你想讓太陽(yáng)能發(fā)電具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，你需要使太陽(yáng)能電池更有效率和更具成本效益，”Bag說(shuō),“硅電池使用純無(wú)機(jī)材料，本質(zhì)上非常困難，我們需要一種易于打印的材料，同時(shí)能夠捕獲陽(yáng)光。”

找到合適材料的機(jī)遇很快就出現(xiàn)了 – 這種材料可以為無(wú)機(jī)、硬質(zhì)硅提供可行的替代品。 薄膜鈣鈦礦被證明具有優(yōu)異的光吸收能力和強(qiáng)大的功率轉(zhuǎn)換效率。然而，最近才被考慮作為太陽(yáng)能發(fā)電能力的材料，Bag的研究專注于通過(guò)超聲波霧化鈣鈦礦前體材料，這使得可以將細(xì)小的氣溶膠微滴轉(zhuǎn)移到氣溶膠噴射噴墨打印機(jī)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(dāng)?shù)谋砻嫔?，從而?chuàng)建一個(gè)太陽(yáng)能電池。

應(yīng)用前景可能是無(wú)窮無(wú)盡的，使用這種材料和3D打印工藝，AFRL發(fā)現(xiàn)可以制造用于在衣服上的柔性太陽(yáng)能電池。還可以用到自動(dòng)機(jī)器人、發(fā)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(jí)階段，但新制造過(guò)程的潛在影響是不能低估的，因?yàn)檫@其中成本節(jié)約可能是巨大的。

關(guān)于3D打印在太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了各種解決方案。

2015年，澳洲的一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種薄如紙片的有機(jī)可打印太陽(yáng)能板，它甚至能為一整棟摩天大樓提供能源。研發(fā)者希望能夠在不遠(yuǎn)的將來(lái)，以低能源為應(yīng)用起點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)這種新型發(fā)電裝置的商業(yè)化制造。這項(xiàng)技術(shù)可有效減少發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，同時(shí)，也能為發(fā)展中國(guó)家提供一種經(jīng)濟(jì)、可實(shí)行的電力來(lái)源。與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板不同的是，這些太陽(yáng)能電池紙可以在包括玻璃和屋頂?shù)葘?shí)際的房屋位置上被直接打印出來(lái)。除了用在大型建筑物上，研發(fā)者還試圖嘗試將這些單元用于小物體，比如風(fēng)靡全球的iPad。如果這一設(shè)想能實(shí)現(xiàn)，那么iPad的表面、筆記本背包和手機(jī)外殼將不僅僅充當(dāng)包裹作用，它們還可以成為能源收集器，為這些可移動(dòng)設(shè)備提供電能。

2015年，賓州州立大學(xué)(PennStateUniversity)聯(lián)合伊利諾伊大學(xué)、UrbanaChampaign和3D打印光學(xué)器件廠商LUXeXcel的研究人員通過(guò)3D打印開(kāi)發(fā)出更經(jīng)濟(jì)高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。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(gè)可移動(dòng)的聚焦機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起，以減少CPV系統(tǒng)的大小、重量和成本。這些電池都小于1平方毫米，經(jīng)過(guò)批量制造出來(lái)之后，然后將其以陣列的形式轉(zhuǎn)移到一種薄玻璃或塑料片材上面。為了將太陽(yáng)光聚焦在電池陣列上，研究人員將它們嵌入到一對(duì)3D打印的塑料透鏡陣列之間。頂部透鏡陣列中的每個(gè)小透鏡的作用就像一個(gè)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(yáng)能電池正好位于兩個(gè)透鏡中間的焦點(diǎn)處，在這個(gè)位置陽(yáng)光被增強(qiáng)了超過(guò)200倍。而且在一天之內(nèi)隨著太陽(yáng)的移動(dòng)，中間的太陽(yáng)能電池板沿著軌道在小透鏡陣列之間橫向滑動(dòng)，因?yàn)榻裹c(diǎn)的位置在移動(dòng)。

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

不僅僅是國(guó)外的公司在3D打印太陽(yáng)能電池方面取得了一系列的進(jìn)展，我國(guó)的華中科技大學(xué)也在這個(gè)領(lǐng)域獲得了突破。目前研究的鈣鈦礦電池主要沉積在導(dǎo)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(yīng)用。可穿戴電子設(shè)備的逐漸發(fā)展，柔性光電子器件研發(fā)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(xué)針發(fā)明了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，其目的在于通過(guò)采用高電導(dǎo)率的金屬作為底電極取代傳統(tǒng)的導(dǎo)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(xué)谷了解到華中科技大學(xué)還通過(guò)采用無(wú)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(xué)的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以應(yīng)用在曲面墻壁，汽車頂端等不能用剛性材料的發(fā)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(yáng)能電池板的汽車實(shí)現(xiàn)晴天無(wú)限里程的暢弛不再是夢(mèng)想。