3D打印技术在光伏领域应用前景分析

新材料产业 ?NO.9 2014 39透 视INSIGHT3D打印技术在光伏领域应用前景分析■ ?文 / 张愿成 ???吴新正 ???郑建华 ???敖毅伟???上海太阳能工程技术研究中心有限公司一、晶硅太阳能电池技术进展情况能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。 随着社会的发展， 煤炭、石油等不可再生资源的日益减少， 开发清洁能源迫在眉睫。 太阳能作为地球上最丰富的能源而备受关注。 目前，太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式， 可将资源无限、 清洁干净的太阳能转换为电能。光伏产业在过去 10年中呈现 40%以上的增长幅度， 成为世界上发展最快的新兴产业之一， 2013年全球装机总量已达 38.4G W。 据不完全统计， 现在我国从事太阳能新兴技术产业研究、 开发、 生产和应用的单位已经超过1 000家。 自 2008年， 我国就已成为全球第一大太阳能电池生产国， 太阳能电池的产量连续 5年位列世界第一。在 当 前 的 光 伏 市 场 中， 主 流 产品是晶硅太阳能电池， 其市场份额超过了 85%， 商业化最高效率已经达到22%以上。 预计在未来 10年内， 晶硅太阳能电池仍将占据主导地位。随着光伏产业的发展， 晶硅太阳能电池技术呈快速发展趋势， 图 1为最近几年的晶硅太阳能电池技术路线发展图。 由图可知， 晶硅太阳能电池技术主要集中在 2大方向 ： 一是在现有电池结构和工艺的基础上， 在一个或多个工序中引入新的生产工艺 （如优化的表面钝化技术、 选择性发射极技术、 优化的表面织构化技术、 点接触技术及 3D打印电极技术等） 来提高电池转换效率 ； 二是改变现有的电池结构、 工艺流程或材料 （如 HIT电池或价键饱和型太阳电池等） 来提高电池转换效率。其中， 3D打印电极技术， 由于金属材料利用率高， 工艺过程简单、 适合用于薄片电池， 能更大程度节约电池生产成本， 因而越来越受到业内关注。二、 3D 打印电极技术在光伏领域的应用现状目前， 在 3D打印电极方面开展研究工作的国外研究机构有以色列的Xjet 公司， 德国的 Fraunhofer ISE研究所、 Schimid公司、 Q-cell 公司， 美国的N E R L实验室， 韩国的机械材料研究院等 ； 国内开展 3D打印技术的厂Advanced Materials Industry 40透 视 INSIGHT家目前有上海神舟新能源有限公司、江苏海润光伏科技有限公司和保定英利绿色能源控股有限公司， 具体情况见表 1。上述研究机构中， 除江苏海润光伏科技有限公司外， 其他机构所采用的 3D打印技术仍是 3D打印种子层加电镀的方式形成电极。 采用电镀的方式会导致栅线宽度增加、 粗糙， 银材料利用率低， 生产成本高， 此外还存在环境污染的问题。 这种 3D打印技术被定义为 “第一代 3D打印技术” 。“ 第二代3D打印技术” 将采用全 3D打印的方式， 栅线电极一次 3D打印成型， 不但简化了生产工艺， 同时还有助于提高电池转换效率、 降低生产成本， 实现精细化生产。另外， 3D打印技术除了用在晶体硅太阳电池以外， 也可以应用在薄膜电池上。 如美国俄勒冈州立大学的研究者们使用 3D打印技术成功地制造出了铜铟镓硒 （ CIGS） 薄膜太阳电池，节约了 90%的原材料。 麻省理工学院（ MIT） 则通过一台特制 3D打印机将薄膜太阳电池印刷到纸张上， 这种电池目前可提供 1.5%～ 2%的电池效率。三、 3D 打印电极技术分析1. 纳米银墨水的制备在 3D打印技术当中， 需要采用专用的纳米银墨水， 这种墨水包含的银微粒最大直径需小于喷口直径的1/10， 以避免桥连和阻塞现象， 考虑到喷口形状和运行次数等因素， 这个比率实际上应该更小， 传统的微米级导电浆料不能满足要求。 而纳米银墨水所含 （分散） 的金属颗粒尺寸等级是在 1n m左右的产品， 与传统正面银浆相比， 其制备难度更大。图 2为纳米银墨水的制备原理。利用醋酸银， 通过湿化学的方法制备出平均颗粒直径为 3n m的纳米银， 再与玻璃相和有机溶剂按一定的配比进行混合， 最后制备出特有的纳米银墨水。 其中， 有机溶剂有 20多种材料组成， 可使银颗粒均匀分散其中而不会发生凝聚， 确保 3D印刷的质量， 同时也可保证打印机头具有较好的性能。当前纳米银墨水的研究和生产还主要集中在一些发达国家， 如韩国的 ANP、 ABC Nano Tech、 InkTec，日本的U L V A C、 住友化工( SE I )， 以色列的 PVN、 Xjet 公司， 美国的 ANI、Nanodynamics、 PCima Nanotech、图 1 晶体硅太阳能电池技术路线图22212019181716少量新工艺二次印刷先进的前表面钝化先进的背表面钝化选择性发射极改进制绒点接触背面金属化革命性的改变新结构新工艺新材料2010$1.45/W2011$1.2/W2013＜ $1.1/W设备容量 1 000 ～2 400wph硅片厚度 160 ～ 180μm工艺步骤 7 ～ 10碎片率 0.7% ～ 2%设备容量＞ 3 000wph硅片厚度 130/150μm工艺步骤＞ 14碎片率 0.5%～ 1%设备容量＞ 4000wph硅片厚度 120 ～ 140μm工艺步骤＞ 20碎片率 0.4%～ 8%新设备需求高稳定性高产能自动化整合先进工艺一半 全部自动化程度电池效率/%新材料产业 ?NO.9 2014 41透 视INSIGHT表 1 各机构 3D 打印电极技术应用情况研究机构或厂家 3D打印电极技术应用情况德国 Fraunhofer ISE研究所 实验室里通过 3D打印技术成功制备出 14μ m宽度的硅基太阳电池表面栅电极， 电极材料采用金属有机溶胶， 在 12.5cm× 12.5cm小面积硅基太阳电池进行尝试， 光电转换效率达到 17.8%德国 Schmid公司 2011年开发出准量产 3D打印设备， 该设备具备自动对准功能， 可以与选择性发射极 （ SE） 设备搭配使用进一步提升效率， 但存在软硬件问题以及搭配的墨水匹配问题没有妥善解决德国 Q-cell 公司 3D打印一层几微米厚的种子层， 经烧结后用光致电镀 （ LIP） 工艺增宽增厚栅线， 改善栅线的导电性。 电镀后细栅线宽度约 65μ m， 15.6cm× 15.6cm的电池片光电最高效率 18.7%美国 NERL实验室 采用 iTiSolar 公司制造的 3D打印机制备出细栅线， 可以有效降低遮光面积并节约浆料韩国机械材料研究院 采用压电喷墨技术在经过 SiNx选择修饰的硅基太阳电池表面喷射纳米银导电种子层， 制备的电极宽度减少 6%～ 14%， 最终实现导电种子宽度约 60μ m， 厚度约 1.8μm上海神舟新能源有限公司 2012年开展 3D打印电极相关研究， 中试线电池光电转化效率达到 19%以上江苏海润光伏科技有限公司从 2010年开始与以色列 Xjet 公司合作开发了国内首台 3D打印机， 2011年在 15.6cm× 15.6cm大面积单晶硅太阳电池成功实现 19.0%的高转化效率， 位于国际先进水平。 从 2012年开始， 开始第二代 3D打印技术研发， 直接形成细高栅电极， 取消了后期的电镀工艺， 进一步降低成本、 提高效率。15.6cm× 15.6cm单晶硅太阳电池转换效率达到 19.17%， 能耗减少了 20%以上， 另外， 该公司并对产品可靠性进行了验证保定英利绿色能源控股有限公司 2013年开始启动 3D打印技术， 目前设备正在引入过程中， 项目还处于起步阶段图 2 纳米银墨水的制备过程银块醋酸银湿化学工艺纳米银颗粒玻璃粉纳米银墨水墨水溶剂Advanced Materials Industry 42透 视 INSIGHTFerro 、 Innovalight 公司及德国拜耳(Bayer Corporation) 等多家知名企业。 而我国在此方面的研究才刚刚起步， 暂还没有具有独立自主知识产权的产品出现。2.3D 打印技术原理图 3是 3D打印设备的外观图， 图4是 3D打印的工作原理图。 纳米银墨水通过打印机头上的小孔喷射到电池表面。 每个打印机机头有 200多个小孔， 任何一个小孔堵住了， 都有充足的替补。 在打印过程中， 小孔控制液滴一层一层喷射， 每个小孔可控制不同的材料进行喷射。打印设备带有真空吸盘， 硅片由机械手放置于真空吸盘上吸住， 通过激光对硅片进行定位后就可打印， 6个机头一次打印 6条细栅线 （图 5） ， 交错打印完所有细栅线， 然后旋转 90°，由照相机监测， 打印主栅线 （图 6） ， 最后在 250℃下加热， 完成打印过程。 整个过程都在程序监控中， 机头出现问题， 程序会自动对机头进行更换。另外， 传统丝网印刷使用的银浆料中玻璃相与银完全混合在一起， 并由于玻璃料颗粒的大小不均， 在烧结过程中玻璃料下降的速度不一致， 会造成如果烧结温度过高就会烧穿结构中的 N层， 温度过低则烧不穿氮化硅层而不能形成良好欧姆接触的情形。而 3D打印技术避免了上述可能，先在硅片上打印一层富含玻璃料和少量银的墨水， 再打印上一层富含银的墨水， 分 2层打印， 这样玻璃料都集中在下层， 在烧结过程中就不会出现玻璃料下降速度不一致的情况， 并能有效降低后续的烧结温度。3. 技术优势分析目前， 商业化的晶体硅太阳电池有 90%以上采用传统的丝网印刷技术图 3 3D 打印设备图 4 3D 打印工作原理图图 5 3D 打印机头实物图 6 主栅打印示意衅 新材料产业 ?NO.9 2014 43透 视INSIGHT形成栅线电极。 然而受丝网印刷技术精度和电极材料银浆的限制， 印刷细栅的高宽比很难再有提高的空间， 这已经成为制约晶体硅电池降低成本、提升效率的主要障碍之一。3D打印技术是一种新型的电极金属化技术。 作为非接触式的电极制作方法， 其具有以下优势 ： ①金属材料利用率高， 工艺过程更简单， 形状及陡度可控制 ； ②与丝网印刷相比， 可以得到更细的栅线 (<40μ m)， 分辨率是丝网印刷的 3 ～ 10倍， 速度是丝网印刷的 3倍 ； ③非接触加工特征使得3D打印工艺适合用于薄片电池或柔性电池的电极制作 ； ④ 3D打印专用的纳米银墨水颗粒比丝网印刷浆料金属颗粒更小， 易于形成更佳的欧姆接触 ； ⑤可混合多种不同的金属材料，且可精确叠加每一层材料， 银耗量可以降低 50%， 同时也有利于实现电极贱金属化。总 之， 3D打 印 电 极 作 为 一 种 非接触电极的制作方法， 与丝网印刷相比具有明显地优势。 作为新一代金属化技术， 3D打印必将替代传统的丝网印刷， 促进光伏行业的产业化技术升级。四、 3D 打印技术未来应用前景分析1. 可提升太阳电池转换效率太阳电池前表面的栅线电极越细， 电极遮挡所带来的光学损失就会越小。 受丝网印刷精度的限制， 丝网印刷栅线的宽度有一定的极限， 否则就会出现严重的断栅现象。 目前栅线的设计宽度为 35 ～ 45μ m， 烧结后栅线宽度在 60 ～ 70μ m左右， 已接近极限值。 栅线高宽比已很难再提高， 同时由于印刷的栅线均匀性较差、 印刷节点多等缺点， 使其成为制约晶体硅电池降低成本、 提升效率的一个主要障碍。高效电池的研究常采用光刻和蒸镀方法制备细栅电极， 但是工艺步骤复杂，生产成本很高， 无法实现产业化。利用 3D打印技术可直接在硅片上精确打印出 3D正面栅线图案， 细栅宽度可降低至 40μ m以下， 电极高度可以按设计要求做到非均匀分布， 工艺简单、 精度高。 此外， 还可实现分层打印不同材料， 构成电极的不同功能层， 并有助于形成高的高宽比， 改善欧姆接触、 提高电流强度和焊接性能。 传统印刷结构与 3D打印结构的比较见图 7所示。2. 可降低太阳电池的生产成本常规晶体硅太阳电池的银电极材料成本约占太阳电池非硅成本的一半。 因此， 减少银电极材料的用量、 采用贱金属取代贵金属银是降低太阳电池制造成本的关键。 保守估计， 利用3D打印专用的纳米银墨水可节省银电极耗量 50%以上。 如能实现电极材料的贱金属化， 则电极材料的成本至少可降低 70%， 太阳电池成本将下降0.3 ～ 0.5元 /W。3.3D 打印电极材料可以和高方阻发射极完美结合方块电阻越高， 电池对短波响应越好， 产生的电流强度就会越大。 目前， 常规电池的方块电阻可以做到 80～ 90 ? / □， 现有的银浆材料在更高的方块电阻下很难与发射级形成良好的欧姆接触。 纳米银墨水材料， 可以在低掺杂表面 （如方块电阻达到 120? / □时） 形成很好的欧姆接触 ； 配合钝化工艺， 可以使电池效率可以达到 20%以上。4. 可广泛应用于各类太阳电池新技术随着电池新技术的开发， 如背面钝化太阳电池、 双面太阳电池、 背结背接触电池等， 太阳电池的生产方式将会发生革命性的变革， 未来晶硅太阳电池将向更高效率、 更薄硅片、 更低成本方向发展。 3D打印技术可与高效电池制造完美结合， 简化高效电池的制备工艺， 加快低成本、 高效电池的产业升级。五、结语综 上 所 述， 3D打 印 技 术 不 仅 能打印出分辨力高、 导电性好的栅线，而且能够降低生产成本， 可以和高方阻发射极完美结合并应用于各类太阳电池新技术。 国内外都在积极研究及应用推广该技术的发展， 所以， 3D打印技术应用于太阳能电池的制造工艺将是大势所趋， 这一技术也会带来太阳能电池质量和效率的大幅提高。10.3969/j.issn.1008-892X.2014.09.011图 7 传统印刷结构与 3D 打印结构比较传统印刷结构3D打印结构