石墨烯在光伏行业的潜在应用

石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 苏州腾晖光伏技术有限公 司 张树德 博士 2019.06.04 内容 • 石墨烯的发现； • 石墨 烯的性质与制备方法； • 石墨 烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用； • 腾晖光伏在石墨 烯的应用与开发； • 石墨烯在晶硅光伏行业中应用所面临的 挑战。 安 德烈 · 海 姆 英国曼彻斯特大学 2004年，胶带反复粘贴高定向热解石 墨，不断减薄，最终获得石墨烯 [1]。 [1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, et al., Science, 2004, 306, 666. 康斯坦丁 · 诺沃肖洛 夫 英国曼彻斯特大学 2010年获诺 贝尔物理学 奖 石墨烯的发现 石墨烯的性质与制备方法 机械强度高 抗拉强度 130 GPa 钢的 100倍 载流子迁移率高 15000 cm2/Vs 比硅高一到两个数量级 柔韧性优异 比表面积大 理论 2630 m2/g 与活性炭相当 透光率高 可见光 97.7% 热导率高 5300 W/mK 铜的 13倍 sp2杂化碳原子构成 的二维晶体 石墨烯的性质与制备方法 机械剥离法 [1] 表面外延生长法 [2] 氧化石墨还原法 [3] 化学气相沉积法 [4] 通过施加机械力， 将石墨烯从石墨材 料中剥离。 SiC晶体表面 Si原子 在高温下升华， C 原子重构为石墨烯。 通过氧化增大石墨 层间距，超声分散 后，还原为石墨烯。 碳氢化合物在过渡 金属催化作用下分 解，沉积为石墨烯。 亚毫米级尺寸 厘米级尺寸 亚毫米级尺寸 分米级尺寸 量产难度大 适合小批量生产 可大规模生产 ✔ 可大规模生产 ✔ 应用于光 伏 领域，需考虑量产。 [1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, et al., Science, 2004, 306, 666. [2] N. Camara, G. Rius, J.-R. Huntzinger, et al., Appl. Phys. Lett., 2008, 93, 123503. [3] S. Pei, H. Cheng, Carbon, 2012, 50, 3210. [4] X. Li, W. Cai, J. An, et al., Science, 2009, 324, 1312. 石墨 烯的性质与制备 方 法 - 氧 化石墨还原 法 ① 用 强氧化 剂将 石墨氧化成氧化石墨 ，增大石 墨层间 距。 ② 超 声处 理，剥离石墨层，获得单 层 或少层 氧化石墨 烯。 ③ 用 强还原 剂将 氧化石墨烯还原成石墨烯。 ① ② ③ [1] S. Pei, H. Cheng, Carbon, 2012, 50, 3210. 石墨烯粉末 代表厂商：宁波墨西、常州第六元素、上海新池 石墨 烯的性质与制备 方 法 - 化 学气相沉积 法 ① 铜箔作为沉 积载体。 ② 1000度高温，甲烷在铜催化作 用下分解，碳原子沉积在铜箔上。 ③ 碳原子铺满铜箔表面， 形成单层石墨烯。 ① 石墨烯上旋涂 PMMA。 ② FeCl3溶液刻蚀掉 铜箔。 ③ 在水中转移至所 需衬底上。 ④有机溶剂溶解 PMMA。 [1] X. Li, W. Cai, J. An, et al., Science, 2009, 324, 1312. [2] W. Regan, N. Alem, B. Alemán, et al., Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 113102. [3] S. Bae, H. Kim, et al., Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 574. ➢ CVD沉积石墨烯 [1]： ➢ 石 墨 烯的转移 [2,3]： 石墨烯薄膜 代表厂商：重庆墨烯、常州二维碳素 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 金属化浆料 玻璃镀膜 支架防腐涂层 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于正面银浆 石墨烯复合正面银浆： ✓ 降低串联电阻 ✓ 改善高宽比 • 正 泰 新能源 、 西北大学 (西安 晶晟 光电 )开发 石墨烯正银 浆料。 银粉 玻璃粉 有机载体 石墨烯 银浆 × 石墨烯在银浆中的分散性和稳定性很难保证。 研磨 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于正面银浆 [1] 西北大学，王惠，白晋涛，王 憨 英，马生华， 发明专利 ZL201710158798.6。 石墨烯包 覆银粉 玻璃粉 有机载体 氧化石墨烯 银浆 [1] 研磨 银粉 还原 石墨烯包覆银粉： ✓ 增强银粉分散性、导电性 ✓ 提高银粉颗粒间的接触 ✓ 增强润滑性 ✓ 提高银浆的印刷过网性 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于背面铝浆 ① 铝浆添加石墨烯后，能 改善电池 翘曲 。 ② 石墨 烯包 覆铝 粉 ，增强铝粉分散 性和导电性，改善铝层致密性， 提 高电池效率。 • 江苏 泓源光 电 开发石墨烯铝浆。 硅 铝 收缩 材料 线性热膨胀系数 硅 2.6× 10-6 K-1 [1] 铝 22.2× 10-6 K-1 [2] 石墨烯 -8.0× 10-6 K-1 [3] [1] H. Watanabe, N. Yamada, M. Okaji, Int. J. Thermophys., 2004, 25, 221. [2] P. Hidnert, Thermal Expansion of Aluminum and Various Important Aluminum Alloys. [3] D. Yoon, Y.-W. Son, H. Cheong, Nano Lett. 2011, 11, 3227. 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 玻璃镀膜 ➢ 应用于玻璃镀膜 ✓ 石墨烯改善镀膜液中氧化硅颗粒的分散性稳定性，提高镀膜层的减反增透效果。 ✓ 石墨烯减小镀膜层表面电阻，消除静电积累，减小灰尘吸附。 • 正信光电 开发玻璃镀膜。 玻璃表面有 多孔氧化硅减反射镀膜 玻璃表面 积灰影响 发电量 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架 × 钢材支架的防腐性能不要改善，以减小后期防腐维护成本。 √ 石墨烯化学性质稳定，阻隔性能优异 [1]，有望应用于钢材的防腐涂层。 支架类型 铝合金 钢材 防腐性能 一般采用阳极氧化 (10-15μm)； 空气中自动形成保护膜，后期不需要防 腐防护； 防腐性能好 一般采用热浸镀锌 (65-80μm)； 后期需要防腐维护； 防腐性能较差 材料密度 2.71g/cm3 7.85g/cm3 机械强度 钢材强度约为铝合金的 1.5倍 支架成本 铝合金支架成本为钢材支架的 1.3-1.5倍 适用项目 对承重有要求的家庭屋顶电站； 对抗腐蚀性有要求的工业厂房屋顶电站 强风地区、跨度比较大等对强 度有要求的电站 [1] S. Böhm, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 741. 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架 金属活性表： 石墨烯包覆 钢材 √ 石墨烯能够阻隔 H2O和 O2，实现防腐。 × 石墨烯的结构缺陷和划伤处，钢材作为 阳极腐蚀更为严重。 [1] [1] C. Cui, A.T.O. Lim, J. Huang, Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 834. √ 锌层若破损，钢材作为阴极 被保护。 锌包覆 钢材 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在 应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架 (石墨烯复合防腐涂层 ) ① 石墨烯增强涂层对腐蚀性物质的阻隔能力。 ② 石墨烯增强锌颗粒与钢材的电学连接，延长锌对钢材的阴极保护时间。 [1] S. Zhou, Y. Wu, W. Zhao, et al., Mater. Design, 2019, 169, 107694. (宁波材料所 ) 石墨烯 环氧富锌涂层 钢材 钢材钢材 空气 没有石墨烯 添加石墨烯 ✓ 石墨烯显著增强环氧富锌涂层的防腐性能！ 腾晖光伏在石墨烯的应用与开发 5BB 4BB MBB 3BB 2BB 约 2010年开始切换为 3BB 最初为 2BB 约 2013年开始切换为 4BB 约 2015年开始切换为 5BB 2017年推广 MBB 通过增加主栅数量，缩 短副栅长度，减小串联 电阻，提高电池效率。 在晶硅电池表面 沉积石墨烯 ， 利 用其透过率高 、 导电性好的优点 ， 减小串联电阻 。 石墨烯 注： 已申请专利 ➢ 晶硅电池 ➢ 石墨烯 -硅异质结电池 [1] C. Xie, X. Zhang, Y. Wu, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8567. [2] V.V. Brus, M.A. Gluba, X. Zhang, et al., Phys. Status Solidi A, 2014, 211, 843. [3] T. Cui, R. Lv, Z. Huang, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5736. [4] C. Xie, X. Zhang, K. Ruan, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 15348. P型掺杂能增大石墨烯电导率 和功函数，提高电池效率。 本征石墨烯 P型掺杂 × 挥发性掺 杂 剂 (HNO3, SOCl2, H2O2, HCl)，电池稳定性差 [3]。 ✔AuCl3掺 杂，电池稳定性较 好 [4]。 腾晖光伏在石墨烯的应用与开发 甲基钝化优势： a) 钝化效果优异 [1]。 b) 单分子层，不影响载流子传输。 c) 化学稳定性较好 [2]。 甲基钝化 一周后 效率 6.78% ➢ 石墨烯镀膜玻璃 (HAST高加速 老化测试 ) 老化测试前： 石墨烯镀膜玻璃透过率 在红外波段有优势。 腾晖光伏在石墨烯的应用与开发 老化测试后： 石墨烯镀膜玻璃透过率 衰减小，可见光区域的 透过率也更高 。 ✓ 石墨烯镀膜玻璃能 够提高光伏组件长 期发电量增益。 石墨烯在晶硅光伏行业中应用所面临的挑战 ① 如何制备出缺陷、杂质、层数可控、性能可控的高品质石墨烯？ ② 如何实现石墨烯 工业标准化 生产？ ③ 如何快速推进石墨烯在光伏领域的 商品化应用 ？ ④ 成本？ Thanks a lot！