太陽(yáng)能薄膜電池設(shè)計(jì)新方式！3D打印支架將提升其轉(zhuǎn)換效率

來(lái)源：3D科學(xué)谷

根據(jù) MaterialsViews，為了解決日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問(wèn)題，人們把目光投向了新能源的開(kāi)發(fā)和利用上。在各種新能源技術(shù)中，光伏發(fā)電無(wú)疑是最具有前景的方向之一。傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池雖然實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，有著較為成熟的市場(chǎng)，但其性價(jià)比還無(wú)法與傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng)，并且制造過(guò)程中的污染和能耗問(wèn)題影響了其廣泛應(yīng)用。因此，研究和發(fā)展高效率、低成本的新型太陽(yáng)能電池十分必要。在眾多的新型太陽(yáng)能電池里，鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池脫穎而出，吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，還被《Science》評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究，他們對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的斷裂分析表明，鈣鈦礦有源層和相鄰載流子選擇性接觸都是機(jī)械脆弱的 。這將嚴(yán)重影響太陽(yáng)能電池的熱機(jī)械可靠性和使用壽命該，也是這一太陽(yáng)能電池技術(shù)走向成熟的主要障礙。針對(duì)上述問(wèn)題，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用新的思路設(shè)計(jì)鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池，即復(fù)合太陽(yáng)能電池（CSC）。復(fù)合太陽(yáng)能電池內(nèi)部的支架，解決了這些材料的內(nèi)在脆弱性。

日前美國(guó)加州3D打印初創(chuàng)企業(yè)T3DP稱，通過(guò)其專利的 “體積式3D打印技術(shù)/volumetric 3D printing ”，能夠制造鈣鈦礦太陽(yáng)能電池所需的內(nèi)部支架。這一應(yīng)用與斯坦福大學(xué)復(fù)合太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)方式有著類似之處，斯坦福大學(xué)有關(guān)復(fù)合太陽(yáng)能電池的思路對(duì)其將3D打印應(yīng)用擴(kuò)展到新的視野非常有幫助。

3D打印仿生支架提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率
斯坦福大學(xué)復(fù)合太陽(yáng)能電池研究團(tuán)隊(duì)對(duì)研究成果的總結(jié)是，內(nèi)部支架有效地將傳統(tǒng)的單片平面太陽(yáng)能電池分隔成尺寸可伸縮且機(jī)械屏蔽的單個(gè)鈣鈦礦電池陣列，其由周圍的支架橫向封裝并通過(guò)前電極和后電極并聯(lián)連接。

復(fù)合太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出顯著增加的~13Jm-2的斷裂能 。這一數(shù)據(jù)比先前報(bào)道的平面鈣鈦礦（~0.4Jm-2）增加30倍 ，同時(shí)保持與平面裝置相當(dāng)?shù)男?。值得注意的是，在支架?nèi)形成的微電池的效率在面積得到調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上與平面裝置相當(dāng)。這一發(fā)展是展示堅(jiān)固的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要一步，以實(shí)現(xiàn)與c-Si，CIGS和CdTe太陽(yáng)能電池相比更高的可靠性和使用壽命。

T3DP 正在開(kāi)展一項(xiàng)3D打印應(yīng)用與上述太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)思路有著相似之處。根據(jù)該技術(shù)的主要發(fā)明者丹尼爾·克拉克的描述，鈣鈦礦是具有超導(dǎo)特性的鈣鈦氧化物晶體, 近年來(lái)這種材料引起了很多人的關(guān)注。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池屬于第三代太陽(yáng)能電池，也稱作新概念太陽(yáng)能電池。然而，由于鈣鈦礦的脆性，使得鈣鈦礦材料的制造難度非常大。由于鈣鈦礦與食鹽有些相似，因此它需要支架將將其固定在適當(dāng)?shù)奈恢靡员３址€(wěn)定。

T3DP 在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池支架時(shí)采用了仿生學(xué)思路，靈感來(lái)自于蒼蠅的眼睛。3D打印鍍銅支架為六角型，類似于蠅眼的結(jié)構(gòu)，電力可以通過(guò)支架直接傳導(dǎo)，形成真正分散的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)，并行地規(guī)劃電力。

目前在工業(yè)中使用的集中式太陽(yáng)能電池板是串聯(lián)的，類似于一串圣誕燈，當(dāng)一個(gè)燈泡熄滅時(shí)，整個(gè)燈停止工作。但是集成3D打印支架的太陽(yáng)能電池則不存在這個(gè)問(wèn)題，在3D打印支架的保護(hù)下，每個(gè)子區(qū)都是分散獨(dú)立工作的。

按此方法布置太陽(yáng)能電池子區(qū)時(shí)，相同面積上可以使用雙倍的太陽(yáng)能材料，從而實(shí)現(xiàn)36％的太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，目前這一設(shè)計(jì)已獲得了加州智能太陽(yáng)能解決方案提供商Infinity Energy的認(rèn)可。

T3DP的目標(biāo)是將3D打印的六角型支架融入于太陽(yáng)能薄膜電池中，如果成功的話，將可獲得50％的轉(zhuǎn)換效率。

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