探讨薄膜太阳能电池制造技术

朱凯

摘 要：自从工业革命爆发以来，社会的发展水平的增长十分迅速，但随着科技的飞速发展，各个国家对于能源的需求也迅速增长。矿产、石油这些能源虽然给人类带来了诸多好处，但是对于这些能源的使用过程中，造成的污染问题也日益加重。为了改善环境，利用无污染、不枯竭的太阳能成为了如今发展的趋势，而在各种发电产业中，光伏产业不仅发展空间广阔，而且发电过程没有任何污染。在今天，太阳能电池的研发越来越成熟，其中包括晶硅太阳能电池，薄膜太阳能电池，有机太阳能电池等，本文主要对薄膜太阳能电池做了详细的分析，希望可以为此领域的研究有所帮助。

关键词：薄膜太阳能;光伏;制造技术

1 薄膜太阳能电池制造技术的现状分析

1.1 太陽能电池

在能源日益枯竭的今天，一种新型可再生能源成为了人们寻找的主要目标，尤其是经过二十世纪七十年代的能源危机，新型能源开发的重要性深深印入了世界各国的心房。而作为带给人们光亮的太阳，则逐渐被人们研究和开发，将太阳能转化为电能的技术，在这几年得到了迅速发展。通过阳光照射，太阳内电池内部通过光电效应将太阳能转为电能，进而给人们带来巨大的收益[1]。

1.2 太阳能优势

太阳能与其他能源相比，其优点是太阳能没有地域限制，而且覆盖范围更广，相比于矿产资源来说，被开采后需要进行运输，太阳能则不需要，完全可以现场采集使用。另一方面，太阳能拥有着巨大的开发潜力，而且太阳能资源永远也不会枯竭，矿产、石油之类资源的开采是有一定限度的，随着开采会逐渐枯竭。相比来说太阳能也更加环保，不像矿产开发期间会造成人体的危害和对周围环境的污染，而太阳能则完全不会污染环境[2]。

而除了矿产能源外，核能也存在很大的隐患，比如核废料、核污染，核泄漏，每一次核泄漏事故都会引发巨大的关注，在我国环境保护越发受到人们的关注和重视，属于清洁能源的太阳能就越来越受到政府和社会的关注 [3]。

1.3 如今的太阳能电池市场

在如今的太阳能电池市场中，各种硅电池与薄膜电池比较常用。虽然较早开发研制的硅电池仍占据着绝大部分市场，但由于制作工艺及材料等限制，很难再提高其光电转化效率，所以制造材料更广泛，制造技术多样，每瓦发电量皆比硅太阳能电池高，且只需要很小厚度就能实现光电转换的太阳能薄膜电池，势必会取代晶硅电池成为光伏产业的趋势。

2 薄膜太阳能电池的优点

在如今市场的各种太阳能电池中，相对于薄膜太阳能电池，硅太阳能电池的发展运用要成熟不少。但硅太阳能电池也有着自身的缺点，那就是当温度超过一定的数值时，其光电转换率就会降低，而薄膜电池温度系数低，温度较高时仍能保持较高的发电效率。

太阳能电池的发展趋势是更轻、更薄、转换率更高，尤其是应用在有关航空、航天设备上的太阳能电池，所需要的性能则更加苛刻。有着质量轻，厚度薄，可以弯曲的薄膜太阳能电池，更加适合适用于航天、航空等非常规应用领域。因为薄膜太阳能电池重量轻、厚度薄，所消耗的能源也大大降低，除了以上的优点外，薄膜太阳能电池不但有着较好的强度，还有着更好的韧性，所以更有利于安装在飞行器上，使之能够获得更清洁和持久的能源[4]。

3 薄膜太阳能电池制造技术存在的问题

随着我国对新能源材料的需求越来越大，太阳能电池的优势也将逐步取代常规能源，只不过想要把太阳能电池大规模应用，成本和光电转换的效率是摆在面前的两个难题。目前市场上有一些成本较低的太阳能电池，例如使用陶瓷、石墨、金属片、玻璃、塑料，等不同材料当基板来制造的普通太阳能电池，但是由于质量问题，导致光电转换效率十分缓慢。而其中一些光电转化效率好的，则碍于成本问题很难被大规模推广。

除了这两点之外，外界也有不少的不利因素，比如太阳能的能量虽然巨大，但照射到地球上的能量却十分分散，因此导致了对太阳能的收集比较困难。还有，即便是在同一地点收集太阳能，但碍于天气、季节，不同时间段的太阳能的收集数值也是不稳定的，所以太阳能电池虽然有着可以改善环境等优点，且太阳能电池也具备了一定的光电转换率，太阳能电池的更大范围的推广应用仍需更加努力。

4 太阳能薄膜电池的制造技术革新

若想制造出光电转换率更高、且更加轻薄的薄膜太阳能电池，除了必须要加强相关材料的研究外，关于薄膜太阳能电池制造技术的革新也需加强研究。利用不同的制造技术，就算是相同的材料也会导致性质差异，为了研究性能更优的薄膜太阳能电池，所以对薄膜太阳能电池的制造技术的发展也尤为重要。目前出现了一些新的材料加工制造技术，如何利用新的技术来解决薄膜电池的遇到的一些困难和瓶颈，就是当前业内面临的挑战和机遇。太阳电池技术主要集中在两个方向：一个是基于现有的电池结构和工艺，在一个或多个工序中引入新的生产工艺（例如，最佳的表面钝化技术、选择发射极技术、最佳的表面组织化技术、点接触技术、3D打印电极技术等）提高电池转换效率;第二点是，改变现有的电池结构、工艺和材料（HIT电池或价键饱和型太阳电池等），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，工艺简单，能大幅度节约电池的生产成本，受到业界的关注。3 D打印技术应用于薄膜电池已经取得了不少进展，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。由于太阳能薄膜电池厚度实在太薄，而内部的构造并不是均相材料，所以3D打印的方法则更加适用于太阳能薄膜电池的制造。因为3D打印技术不但可以合理的控制产品的厚度，也可以控制产品材料分布。但也正因为太阳能薄膜电池的厚度原因，需要3D打印技术对材料厚度要有更加精确的控制，也只有这样，才能在太阳能薄膜电池制造过程中发挥更大的作用[5]。

目前能够比较成熟的应用到薄膜电池领域的加工工艺主要是前电极的制备，使用3D打印技术制造前电极的栅线，代替目前主流的丝网印刷等方式。由于传统丝印方式技术的限制，栅线高宽比、精度方面已很难以比较经济的方式提升，而3D打印技术则能从本质上改善这种状况。总体来说3D打印技术制造电池电极具备以下优势：可以使用不同金属材料，减少对银材料的依赖，使用更经济的导电材料;材料利用率高，减少材料的浪费，降低成本;加工过程不需要与发电膜层接触，减少破坏，提高了制程的良率;打印墨水使用比丝印银浆更小直径的金属颗粒，能获得更好的欧姆接触;栅线高宽比、精度方面得到进一步提高，3D金属打印技术加工能力已经能达到几微米的尺度。作为新一代的金属化技术，3D打印必将代替传统的丝网印刷技术，促进光伏产业制造技术升级[6]。

5 结论

根据本文所写，随着世界各地对能源使用的急剧消耗，限制经济发展的一重大因素就包括了环境问题，无污染、充足、可持续发展的太阳能源成为许多国家最具潜力的新能源之一。我国现阶段需要做的就是降低薄膜太阳能电池的成本，并提高转换率。当然，随着我国不断研制出新的技术和材料，如3D打印技术，成本和效率的问题想必很快就可以得到有效解决。虽然现阶段硅太阳能电池仍在市场上有着举足若轻的地位，但随着技术的不断进步与完善，我国薄膜太阳能电池的制造技术一定会得到大幅提升。

参考文献：

[1]钟东霞，毛成根，钟迪，连加荣.钙钛矿太阳能电池缺陷钝化技术的研究进展[J].人工晶体学报，2019，48（12）：2344-2358.

[2]闫业玲，曹俊媚，孟凡宁，王宁，高立国，马廷丽.大面积钙钛矿太阳能电池[J].化学进展，2019，31（07）：1031-1043.

[3]应承展，吕秋娟，刘朝辉，毕松，侯根良，汤进.碳材料在钙钛矿太阳能电池中的应用[J].材料工程，2019，47（06）：1-10.

[4]张环宇.锶取代少铅有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池材料的制备及其光电性能研究[D].北京：北京科技大学，2019.

[5]王永玲.高效电子传输层的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用[D].北京：中国科学院大学（中国科学院过程工程研究所），2019.

[6]张愿成，吴新正，郑建华，等.3D打印技术在光伏領域应用前景分析[J].新材料产业，2014（9）：39-43.