太陽能薄膜電池的制造技術革新

常艷霞

摘 要 要得到更輕更薄、光電轉換率更高的太陽能薄膜電池，除了電池本身材質的研究，太陽能薄膜電池的制造技術革新也是突破點之一。3D打印作為一種新型的加法制造技術，將會對太陽能薄膜電池的制造技術革新提供諸多幫助。

關鍵詞 太陽能；太陽能薄膜電池；技術革新

中圖分類號 TK51 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）160-0138-02

1 太陽能的優勢

太陽能具有其它能源都無法比擬的優點。首先是太陽光的覆蓋范圍廣，不受地域的限制，礦產被開采或核能的能量產生后，必須要有運輸的過程，而太陽能則不同，可以現場采集現場使用。其次，太陽能的開發使用潛力大，礦產的開采總是有限度的，但太陽能卻幾乎可以說是取之不盡，用之不竭的，只要太陽繼續向地球輻射能量，那我們就可以一直利用太陽能。

再者，太陽能屬于清潔能源，對環境沒有任何危害，但在各種礦產的開采和使用過程中，無論是對人體的傷害還是對環境的污染作用都是巨大且不可避免的；對于核能，也存在很大的核污染隱患，核廢料和核泄漏都是很嚴重的問題。在國內，霧霾時時觸動著人們的神經，各種河流海洋的污染問題也層出不窮，環境保護更加得到人們的重視，這種情況下，清潔無污染的太陽能就更顯得難能可貴。將來太陽能可以更好的工業化推廣后，相信即使其成本會稍高，也必定會更加受國家、社會和消費者的青睞。因此，在應用太陽能已經得到越來越多的重視的同時，如何高效環保的利用太陽能就成了至關重要的問題。

2 太陽能電池大規模應用的瓶頸

若想有效的利用太陽能，就必須要用到太陽能電池。在太陽光的照射下，太陽能電池可以瞬間輸出電壓并產生電流，通過光電效應或光化學效應將太陽能轉換成電能。

對于太陽能電池，主要有2方面問題阻礙了其大規模應用，一是成本，二是光電轉換的效率。目前，雖然一部分太陽能電池的成本較低，但其光電轉換效率非常不理想；另一部分太陽能電池雖然光電轉換效率稍好，技術也較為成熟，但由于成本太高，難以被大規模推廣。因而，從這兩個方面解決太陽能電池本身的問題，才有可能進一步的對太陽能進行推廣。

利用太陽能電池時，除了上面提到的太陽能電池本身的技術性問題，還會遇到一些外界環境的不利因素。如輻射至地球的太陽能的總能量雖然比較巨大，但這種能量卻是比較分散的，這就導致了太陽能收集的不易。再者，即使在同一地點，不同時間被輻射到的太陽能總量也是不穩定的，要受季節、晝夜、天氣等因素的影響。因此，雖然太陽能有諸多優點，且太陽能電池具備了一定的光電轉換率，但太陽能電池的大規模推廣應用仍任重而道遠。

3 太陽能薄膜電池的優點

在各種太陽能電池中，硅太陽能電池的發展和應用相對要成熟一些，目前屬于在應用中相對多的太陽能電池。硅太陽能電池的缺點是當溫度升高時，它的光電轉換率會降低；但是金屬氧化物的太陽能電池則不同，當溫度升高時，金屬氧化物太陽能電池的光電轉換率也會升高。同時，金屬氧化物的成本比硅低，且來源較廣闊，這使得金屬氧化物有更廣闊的應用潛力。在太陽能電池中，金屬氧化物是作用機理是首先將光子轉化成電子，然后通過電子將水解離成氧氣和氫氣。

更輕更薄、光電轉換效率更高是太陽能電池的發展趨勢，特別是對于應用在航空航天設備上的太陽能電池，對于太陽能電池的性能有著更嚴苛的要求。在太陽能電池中，太陽能薄膜電池有質量輕、厚度極薄、可彎曲的優點。在航天航空設備上利用太陽能電池時，選擇太陽能薄膜電池有更多的優勢，首先，薄膜電池的重量輕厚度薄，可以為飛行器節約更多的動力；其次，薄膜電池的可彎曲特性使其除了具有較好的強度外，還具備了更好的彎曲強度和韌性，這更有利于將薄膜電池包覆在飛行器上，從而可以更有效的采集太陽光。目前，太陽能薄膜電池的主要材質有銅銦鎵硒、非晶體硅、碲化鎘等。

4 太陽能薄膜電池的制造技術革新

要制備出更輕更薄、光電轉換率更高的太陽能薄膜電池，除了電池本身材質的研究，薄膜電池制造技術的革新也是研究的一大重點。對于相同的材料，不同的制造技術也會導致其性能的差異，因此，選擇更科學的太陽能薄膜電池加工制造方法，對更優性能的太陽能薄膜電池研究是非常有益的。

制造技術通常可被分為減法制造、等法制造和加法制造，減法制造無疑是最為人所知的形式，比如切削加工。等法制造一般是指在幾乎不改變材料本身質量的情況下，通過技術手段改變其形狀或內部結構，以得到理想的性能。加法制造是在制造的過程中，采取加量的方式，對單一零件進行制造，這是一種具有特色的新型制造方法。對于太陽能薄膜電池制造技術，應該更綜合的考慮這3種方法，通過綜合利用這3種制造方法，相信可以得到性能更優異的太陽能薄膜電池。

在本文中，筆者主要對加法制造進行一些介紹，在加法制造中，最著名的就是3D打印技術。3D打印是一種可以快速成型的制造技術，它以電腦中建立的數字模型為基礎，通過運用金屬粉末或聚合物等材料的逐層固化，用來制造所要得到的產品。這種制造技術與傳統的制造技術是截然不同的，傳統制造的邏輯是先獲取一種材質合理的材料，然后通過模具成型或切削等方式將其加工成想要的結構。這種制造方法不僅步驟復雜，而且不可避免的會浪費許多材料。特別是對于一些價格較高的材料和形狀較為特別的部件，如一個曲度較為特別的鈦合金扇頁，當其被制造成型時，被去除掉的材料質量甚至遠遠高于剩下的有效部件的質量，這不僅是經濟的浪費，也是一種能量的浪費。

而3D打印則克服了這個缺點，在打印伊始，它就會按照既成模型的形狀對原材料進行逐層加工，以一層一層打印疊加的方式，完成樣品的成型。這種加工方法不僅可以有效節省原材料、節省加工能量，還更適用于制造一些特殊形狀的部件，在加工過程中，也可以嚴格控制部件不同層面的材料屬性。

對于太陽能薄膜電池，雖然它的厚度較薄，但它并不是均相材料，特別是在厚度方向，材料分布情況更為復雜，這就使其更適用于3D打印的方法。3D打印不僅可以嚴格控制產品的厚度，還可以有效控制產品在厚度方向的材料分布。但其中的挑戰也是極高的，因為太陽能薄膜電池的厚度極薄，這就要求3D打印時必須可以準確控制材料的厚度，這樣才能在太陽能薄膜電池的制造技術革新過程中發揮更大的作用。

參考文獻

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