【解析】3D打印技術 在光伏領域應用前景分析

能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質基礎。隨著社會的發(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換為電能。其中，3D打印電極技術，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)約電池生產成本，因而越來越受到業(yè)內關注。

一、晶硅太陽能電池技術進展情況 光伏產業(yè)在過去10年中呈現40%以上的增長幅度，成為世界上發(fā)展最快的新興產業(yè)之一，2013年全球裝機總量已達38.4GW。據不完全統(tǒng)計，現在我國從事太陽能新興技術產業(yè)研究、開發(fā)、生產和應用的單位已經超過1 000家。自2008年，我國就已成為全 球第一大太陽能電池生產國，太陽能電池的產量連續(xù)5年位列世界第一。

在當前的光伏市場中，主流產品是晶硅太陽能電池，其市場份額超過了85%，商業(yè)化最高效率已經達到22%以上。預計在未來10年內，晶硅太陽能電池仍將占據主導地位。 隨著光伏產業(yè)的發(fā)展，晶硅太陽能電池技術呈快速發(fā)展趨勢， 圖1為最近幾年的晶硅太陽能電池技術路線發(fā)展圖。由圖可知，晶硅太陽能電池技術主要集中在2大方向：一是在現有電池結構和工藝的基礎上，在一個或多個工序中引入新的生產工藝（如優(yōu)化的表面鈍化技術、選擇性發(fā)射極技術、優(yōu)化的表面織構化技術、點接觸技術及3D打印電極技術等）來提高電 池轉換效率；

二是改變現有的電池結構、工藝流程或材料（如HIT電池或價鍵飽和型太陽電池等）來提高電池轉換效率。 其中，3D打印電極技術，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)約電池生產成本，因而越來越受到業(yè)內關注。

二、3D打印電極技術在光伏
領域的應用現狀 目前，在3D打印電極方面開展研究工作的國外研究機構有以色列的Xjet公司，德國的Fraunhofer ISE研究所、Schimid公司、Q-cell公司，美國的NERL實驗室，韓國的機械材料研究院等；國內開展3D打印技術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。

上述研究機構中，除江蘇海潤光伏科技有限公司外，其他機構所采用的3D打印技術仍是3D打印種子層加電鍍的方式形成電極。采用電鍍的方式會導致柵線寬度增加、粗糙，銀材料利用率低，生產成本高，此外還存在環(huán)境污染的問題。這種3D打印技術被定義為“第一代3D打印技術”。

“第二代3D打印技術”將采用全3D打印的方式，柵線電極一次3D打印成型，不但簡化了生產工藝，同時還有助于提高電池轉換效率、降低生產成本，實現精細化生產。 另外，3D打印技術除了用在晶體 硅太陽電池以外，也可以應用在薄膜電池上。如美國俄勒岡州立大學的研究者們使用3D打印技術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。麻省理工學院（MIT）則通過一臺特制3D打印機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打印電極技術分析

1.納米銀墨水的制備
在3D打印技術當中，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象，考慮到噴口形狀和運行次數等因素，這個比率實際上應該更小，傳統(tǒng)的微米級導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，再與玻璃相和有機溶劑按一定的配比進行混合，最后制備出特有的納米銀墨水。其中，有機溶劑有20多種材料組 成，可使銀顆粒均勻分散其中而不會發(fā)生凝聚，確保3D印刷的質量，同時也可保證打印機頭具有較好的性能。 當前納米銀墨水的研究和生產還主要集中在一些發(fā)達國家，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，暫還沒有具有獨立自主知識產權的產品出現。

2.3D打印技術原理
圖3是3D打印設備的外觀圖，圖4是3D打印的工作原理圖。納米銀墨水通過打印機頭上的小孔噴射到電池表面。每個打印機機頭有200多個小孔，任何一個小孔堵住了，都有充足的替補。在打印過程中，小孔控制液滴一層一層噴射，每個小孔可控制不同的材料進行噴射。 打印設備帶有真空吸盤，硅片由機械手放置于真空吸盤上吸住，通過激光對硅片進行定位后就可打印，6個機頭一次打印6條細柵線（圖5），交錯打印完所有細柵線，然后旋轉90°，由照相機監(jiān)測，打印主柵線（圖6），最后在250℃下加熱，完成打印過程。

整個過程都在程序監(jiān)控中，機頭出現問題，程序會自動對機頭進行更換。 另外，傳統(tǒng)絲網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，在燒結過程中玻璃料下降的速度不一致，會造成如果燒結溫度過高就會燒穿結構中的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，在燒結過程中就不會出現玻璃料下降速度不一致的情況，并能有效降低后續(xù)的燒結溫度。

3.技術優(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)的絲網印刷技術形成柵線電極。然而受絲網印刷技術精度和電極材料銀漿的限制，印刷細柵的高寬比很難再有提高的空間，這已經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打印技術是一種新型的電極金屬化技術。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與絲網印刷相比，可以得到更細的柵線(<40μm)，分辨率是絲網印刷的3～10倍，速度是絲網印刷的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%，同時也有利于實現電極賤金屬化。 總之，3D打印電極作為一種非接觸電極的制作方法，與絲網印刷相比具有明顯地優(yōu)勢。作為新一代金屬化技術，3D打印必將替代傳統(tǒng)的絲網印刷，促進光伏行業(yè)的產業(yè)化技術升級。

四、3D打印技術未來應用前景分析
1.可提升太陽電池轉換效率
太陽電池前表面的柵線電極越細，電極遮擋所帶來的光學損失就會越小。受絲網印刷精度的限制，絲網印刷柵線的寬度有一定的極限，否則就會出現嚴重的斷柵現象。目前柵線的設計寬度為35～45μm，燒結后柵線寬度在60～70μm左右，已接近極限值。柵線高寬比已很難再提高，同時由 于印刷的柵線均勻性較差、印刷節(jié)點多等缺點，使其成為制約晶體硅電池降低成本、提升效率的一個主要障礙。高效電池的研究常采用光刻和蒸鍍方法制備細柵電極，但是工藝步驟復雜，生產成本很高，無法實現產業(yè)化。 利用3D打印技術可直接在硅片上精確打印出3D正面柵線圖案，細柵寬度可降低至40μm以下，電極高度可以按設計要求做到非均勻分布，工藝簡單、精度高。此外，還可實現分層打印不同材料，構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、提高電流強度和焊接性能。傳統(tǒng)印刷結構與3D打印結構的比較見圖7所示。

2.可降低太陽電池的生產成本
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鍵。保守估計，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。如能實現電極材 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)射極完美結合
方塊電阻越高，電池對短波響應越好，產生的電流強度就會越大。目前，常規(guī)電池的方塊電阻可以做到80～90Ω/□，現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（如方塊電阻達到120Ω/□時）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到20%以上。

4.可廣泛應用于各類太陽電池新技術
隨著電池新技術的開發(fā)，如背面鈍化太陽電池、雙面太陽電池、背結背接觸電池等，太陽電池的生產方式將會發(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打印技術可與高效電池制造完美結合，簡化高效電池的制備工藝，加快低成本、高效電池的產業(yè)升級。

綜上所述，3D打印技術不僅能打印出分辨力高、導電性好的柵線，而且能夠降低生產成本，可以和高方阻發(fā)射極完美結合并應用于各類太陽電池新技術。國內外都在積極研究及應用推廣該技術的發(fā)展，所以，3D打印技術應用于太陽能電池的制造工藝將是大勢所趨，這一技術也會帶來太陽能電池質量和效率 的大幅提高。

編輯：南極熊
文/張愿成   吳新正   鄭建華   敖毅偉    上海太陽能工程技術研究中心有限公司