结合3D打印和电喷雾技术制备薄膜太阳能电池

莫东鸣，裴江红

(重庆工业职业技术学院 机械工程与自动化学院，重庆 401120)

0 引 言

太阳能光伏发电具有安全可靠、无污染、制约少、故障率低、且维护简便等诸多优点，从而为人类大规模利用太阳能开辟了广阔的前景。在太阳能电池中，薄膜太阳能电池具有成本低廉、合成工艺简单、容易加工和成膜、电池制作的结构可多样化的优点，是太阳能电池制备的一个新方向。而薄膜太阳能电池面临的一个挑战是如何进行大面积的制备，且能够获得优良的光电转换效率[1-2]。近年来，很多国内外学者对薄膜太阳能电池的制备技术进行了研究和完善工作，但当前常用卷对卷的方法制备薄膜太阳能电池，制备过程中常使用刮涂法，刮涂法成膜很慢，且溶液浓度大时容易形成团聚或结晶析出，使得薄膜太阳能电池的厚度不均匀、质量差[3]。针对现有技术中薄膜太阳能电池成品厚度不均匀问题，本文提出了一种均匀成膜的卷对卷制备薄膜太阳能电池的装置，可以生产更薄、均匀性更佳、制造面积可扩展的太阳能薄膜电池。

1 研究内容和目标

1.1 研究内容

来自美国康涅狄格大学的科学家借鉴3D打印的理念，采用电喷雾方法将两种聚合单体先分别形成纳米级液滴，然后喷雾到基底上，再通过聚合形成聚酰胺，实现了膜厚和粗糙度都可精确调控的聚酰胺薄膜[4]。因此，在太阳能薄膜的生产上，可以借鉴以上的方案，采用3D打印的理念结合电喷雾方法，最终设计出一种生产柔性更佳、转换效率更优的太阳能薄膜电池制备设备。

1.2 研究目标

通过挖掘3D打印柔性佳的优点，结合电喷雾喷涂成膜效果好的特点，合理有效地设计出太阳能薄膜电池制备设备，扩大太阳能薄膜电池制备面积、提高太阳能薄膜电池均匀性、减小太阳能电池薄膜厚度。

2 设备结构及工作原理

2.1 设备结构

本文设计的卷对卷制备薄膜太阳能电池的装置，包括用于形成静电喷涂的电源，电源的正极连接有喷枪，电源的负极连接有基座，基座上设有传送带，传送带上设有可随传送带一起运动的薄膜；喷枪和基座对向设置；传送带上方设有两个用于压住薄膜的滚筒，滚筒位于传送带的两端，且滚筒的轴向均垂直于传送带的运动方向。

图1 设备结构主视图

图2 设备结构俯视图

2.2 设备工作原理

采用3D打印与电喷雾技术方案结合卷对卷制备薄膜太阳能电池的设备，用于形成静电喷涂的电源通常为高压电源(例如电压为30 kV)，在高压电源的作用下，喷枪与电源正极连接，基座与电源负极连接，因此喷枪和基座之间形成静电场；喷枪喷出的溶液微粒带有正电荷，因此微粒在电场力的作用下将朝向基座的方向运动，而溶液微粒之间受到彼此的库仑排斥力而形成纳米级液滴，加上薄膜带有负电荷，因此溶液微粒将一层层均匀的沉积在薄膜上，薄膜上能得到均匀、厚度薄的微粒层，该种微粒层将提高薄膜的光电转换效率；具体可以通过控制喷嘴喷出溶液的浓度、传送带的移动速度来对薄膜上微粒沉积层的厚度进行调控；两端的滚筒能压住位于传送带两端的薄膜，防止薄膜翘起，有利于薄膜上微粒层的均匀沉积。此处卷对卷是指薄膜的一端为卷出端，卷出端的薄膜依次进入本装置喷涂微粒后依次被卷入端卷入，因此装置内的薄膜段的两端均被卷筒卷起。

喷枪固定在支撑架上，支撑架可在驱动结构的带动下进行直线运动，其运动方向垂于传送带运动的方向。喷枪可移动，能满足宽度大的薄膜的制备，可使喷枪在薄膜的宽度方向进行移动，从而使得薄膜的宽度方向均沉积有微粒；在具体应用中，也可在薄膜的宽度方向设置多个喷枪，以增快薄膜制备的效率。喷枪的数量为两个。两个喷枪能同时喷出两种不同的微粒，满足不同薄膜对沉积微粒的要求。具体应用时，喷枪的数量也可以为多个。

驱动结构包括直线电机和滑轨，支撑架两端均固定在滑轨的滑块上，任一个滑块与直线电机固定连接。支撑架固定在滑块上，滑块在直线电机的带动下将在滑轨上运动，从而将喷枪喷出的溶液微粒喷洒在薄膜的整个宽度方向。

滚筒中部设有旋转轴，旋转轴两端均设有滚筒架，滚筒通过旋转轴在旋转电机的带动下进行转动。滚筒在旋转电机的带动下进行转动，具体应用时，滚筒的转动方向与薄膜的运动方向相同，滚筒运动的线速度和薄膜运动的速度相同，以便将薄膜压平的同时减少对薄膜的损伤。

由于采用了上述技术方案，本设备的有益效果是：使用高压电源，在喷枪和基座之间形成静电场，使得喷枪喷出的正电荷溶液微粒受到电场力的作用，和彼此间的库仑排斥力，从而均匀的沉积在薄膜上，最终能得到厚度薄、粗糙度低、具有优良的光电转换效率的薄膜。

3 结束语

针对现有技术中薄膜太阳能电池成品厚度不均匀问题，本文设计了一种结合3D打印和电喷雾技术、能够均匀成膜的卷对卷制备薄膜太阳能电池的设备。这种设备结构简单，能够高效制备太阳能薄膜电池。该设备有望在多功能薄膜的蓬勃发展中迅速得到推广和应用，对改善和提高人类生活质量发挥关键作用。