3D打印技術(shù)在光伏領(lǐng)域應(yīng)用前景分析

張?jiān)赋? 吳新正 鄭建華 敖毅偉

一、晶硅太陽能電池技術(shù)進(jìn)展情況

能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)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。

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(jī)總量已達(dá)38.4GW。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(yīng)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(dāng)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(dá)到22%以上。預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)，晶硅太陽能電池仍將占據(jù)主導(dǎo)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， 圖1為最近幾年的晶硅太陽能電池技術(shù)路線發(fā)展圖。由圖可知，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(gè)或多個(gè)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(diǎn)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(jià)鍵飽和型太陽電池等）來提高電池轉(zhuǎn)換效率。

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。

二、3D打印電極技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)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(shí)驗(yàn)室，韓國的機(jī)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，具體情況見表1。

上述研究機(jī)構(gòu)中，除江蘇海潤光伏科技有限公司外，其他機(jī)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(huì)導(dǎo)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?D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(shí)還有助于提高電池轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)精細(xì)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(yīng)用在薄膜電池上。如美國俄勒岡州立大學(xué)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(xué)院（MIT）則通過一臺(tái)特制3D打印機(jī)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。

三、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(dāng)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(yùn)行次數(shù)等因素，這個(gè)比率實(shí)際上應(yīng)該更小，傳統(tǒng)的微米級導(dǎo)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。

圖2為納米銀墨水的制備原理。利用醋酸銀，通過濕化學(xué)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(jī)溶劑按一定的配比進(jìn)行混合，最后制備出特有的納米銀墨水。其中，有機(jī)溶劑有20多種材料組成，可使銀顆粒均勻分散其中而不會(huì)發(fā)生凝聚，確保3D印刷的質(zhì)量，同時(shí)也可保證打印機(jī)頭具有較好的性能。

當(dāng)前納米銀墨水的研究和生產(chǎn)還主要集中在一些發(fā)達(dá)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(dú)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

圖3是3D打印設(shè)備的外觀圖，圖4是3D打印的工作原理圖。納米銀墨水通過打印機(jī)頭上的小孔噴射到電池表面。每個(gè)打印機(jī)機(jī)頭有200多個(gè)小孔，任何一個(gè)小孔堵住了，都有充足的替補(bǔ)。在打印過程中，小孔控制液滴一層一層噴射，每個(gè)小孔可控制不同的材料進(jìn)行噴射。

打印設(shè)備帶有真空吸盤，硅片由機(jī)械手放置于真空吸盤上吸住，通過激光對硅片進(jìn)行定位后就可打印，6個(gè)機(jī)頭一次打印6條細(xì)柵線（圖5），交錯(cuò)打印完所有細(xì)柵線，然后旋轉(zhuǎn)90°，由照相機(jī)監(jiān)測，打印主柵線（圖6），最后在250℃下加熱，完成打印過程。整個(gè)過程都在程序監(jiān)控中，機(jī)頭出現(xiàn)問題，程序會(huì)自動(dòng)對機(jī)頭進(jìn)行更換。

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(huì)造成如果燒結(jié)溫度過高就會(huì)燒穿結(jié)構(gòu)中的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(huì)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(xì)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(xì)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(shí)也有利于實(shí)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(jìn)光伏行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)升級。

四、3D打印技術(shù)未來應(yīng)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(xì)，電極遮擋所帶來的光學(xué)損失就會(huì)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的斷柵現(xiàn)象。目前柵線的設(shè)計(jì)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(shí)由于印刷的柵線均勻性較差、印刷節(jié)點(diǎn)多等缺點(diǎn)，使其成為制約晶體硅電池降低成本、提升效率的一個(gè)主要障礙。高效電池的研究常采用光刻和蒸鍍方法制備細(xì)柵電極，但是工藝步驟復(fù)雜，生產(chǎn)成本很高，無法實(shí)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(xì)柵寬度可降低至40μm以下，電極高度可以按設(shè)計(jì)要求做到非均勻分布，工藝簡單、精度高。此外，還可實(shí)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(qiáng)度和焊接性能。傳統(tǒng)印刷結(jié)構(gòu)與3D打印結(jié)構(gòu)的比較見圖7所示。

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(jì)，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(shí)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(yīng)越好，產(chǎn)生的電流強(qiáng)度就會(huì)越大。目前，常規(guī)電池的方塊電阻可以做到80～90？/□，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(dá)到120？/□時(shí)）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(dá)到20%以上。

4.可廣泛應(yīng)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(huì)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。

五、結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)不僅能打印出分辨力高、導(dǎo)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(yīng)用于各類太陽電池新技術(shù)。國內(nèi)外都在積極研究及應(yīng)用推廣該技術(shù)的發(fā)展，所以，3D打印技術(shù)應(yīng)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(huì)帶來太陽能電池質(zhì)量和效率的大幅提高。