探討薄膜太陽能電池制造技術

朱凱

摘 要：自從工業革命爆發以來，社會的發展水平的增長十分迅速，但隨著科技的飛速發展，各個國家對于能源的需求也迅速增長。礦產、石油這些能源雖然給人類帶來了諸多好處，但是對于這些能源的使用過程中，造成的污染問題也日益加重。為了改善環境，利用無污染、不枯竭的太陽能成為了如今發展的趨勢，而在各種發電產業中，光伏產業不僅發展空間廣闊，而且發電過程沒有任何污染。在今天，太陽能電池的研發越來越成熟，其中包括晶硅太陽能電池，薄膜太陽能電池，有機太陽能電池等，本文主要對薄膜太陽能電池做了詳細的分析，希望可以為此領域的研究有所幫助。

關鍵詞：薄膜太陽能;光伏;制造技術

1 薄膜太陽能電池制造技術的現狀分析

1.1 太陽能電池

在能源日益枯竭的今天，一種新型可再生能源成為了人們尋找的主要目標，尤其是經過二十世紀七十年代的能源危機，新型能源開發的重要性深深印入了世界各國的心房。而作為帶給人們光亮的太陽，則逐漸被人們研究和開發，將太陽能轉化為電能的技術，在這幾年得到了迅速發展。通過陽光照射，太陽內電池內部通過光電效應將太陽能轉為電能，進而給人們帶來巨大的收益[1]。

1.2 太陽能優勢

太陽能與其他能源相比，其優點是太陽能沒有地域限制，而且覆蓋范圍更廣，相比于礦產資源來說，被開采后需要進行運輸，太陽能則不需要，完全可以現場采集使用。另一方面，太陽能擁有著巨大的開發潛力，而且太陽能資源永遠也不會枯竭，礦產、石油之類資源的開采是有一定限度的，隨著開采會逐漸枯竭。相比來說太陽能也更加環保，不像礦產開發期間會造成人體的危害和對周圍環境的污染，而太陽能則完全不會污染環境[2]。

而除了礦產能源外，核能也存在很大的隱患，比如核廢料、核污染，核泄漏，每一次核泄漏事故都會引發巨大的關注，在我國環境保護越發受到人們的關注和重視，屬于清潔能源的太陽能就越來越受到政府和社會的關注 [3]。

1.3 如今的太陽能電池市場

在如今的太陽能電池市場中，各種硅電池與薄膜電池比較常用。雖然較早開發研制的硅電池仍占據著絕大部分市場，但由于制作工藝及材料等限制，很難再提高其光電轉化效率，所以制造材料更廣泛，制造技術多樣，每瓦發電量皆比硅太陽能電池高，且只需要很小厚度就能實現光電轉換的太陽能薄膜電池，勢必會取代晶硅電池成為光伏產業的趨勢。

2 薄膜太陽能電池的優點

在如今市場的各種太陽能電池中，相對于薄膜太陽能電池，硅太陽能電池的發展運用要成熟不少。但硅太陽能電池也有著自身的缺點，那就是當溫度超過一定的數值時，其光電轉換率就會降低，而薄膜電池溫度系數低，溫度較高時仍能保持較高的發電效率。

太陽能電池的發展趨勢是更輕、更薄、轉換率更高，尤其是應用在有關航空、航天設備上的太陽能電池，所需要的性能則更加苛刻。有著質量輕，厚度薄，可以彎曲的薄膜太陽能電池，更加適合適用于航天、航空等非常規應用領域。因為薄膜太陽能電池重量輕、厚度薄，所消耗的能源也大大降低，除了以上的優點外，薄膜太陽能電池不但有著較好的強度，還有著更好的韌性，所以更有利于安裝在飛行器上，使之能夠獲得更清潔和持久的能源[4]。

3 薄膜太陽能電池制造技術存在的問題

隨著我國對新能源材料的需求越來越大，太陽能電池的優勢也將逐步取代常規能源，只不過想要把太陽能電池大規模應用，成本和光電轉換的效率是擺在面前的兩個難題。目前市場上有一些成本較低的太陽能電池，例如使用陶瓷、石墨、金屬片、玻璃、塑料，等不同材料當基板來制造的普通太陽能電池，但是由于質量問題，導致光電轉換效率十分緩慢。而其中一些光電轉化效率好的，則礙于成本問題很難被大規模推廣。

除了這兩點之外，外界也有不少的不利因素，比如太陽能的能量雖然巨大，但照射到地球上的能量卻十分分散，因此導致了對太陽能的收集比較困難。還有，即便是在同一地點收集太陽能，但礙于天氣、季節，不同時間段的太陽能的收集數值也是不穩定的，所以太陽能電池雖然有著可以改善環境等優點，且太陽能電池也具備了一定的光電轉換率，太陽能電池的更大范圍的推廣應用仍需更加努力。

4 太陽能薄膜電池的制造技術革新

若想制造出光電轉換率更高、且更加輕薄的薄膜太陽能電池，除了必須要加強相關材料的研究外，關于薄膜太陽能電池制造技術的革新也需加強研究。利用不同的制造技術，就算是相同的材料也會導致性質差異，為了研究性能更優的薄膜太陽能電池，所以對薄膜太陽能電池的制造技術的發展也尤為重要。目前出現了一些新的材料加工制造技術，如何利用新的技術來解決薄膜電池的遇到的一些困難和瓶頸，就是當前業內面臨的挑戰和機遇。太陽電池技術主要集中在兩個方向：一個是基于現有的電池結構和工藝，在一個或多個工序中引入新的生產工藝（例如，最佳的表面鈍化技術、選擇發射極技術、最佳的表面組織化技術、點接觸技術、3D打印電極技術等）提高電池轉換效率;第二點是，改變現有的電池結構、工藝和材料（HIT電池或價鍵飽和型太陽電池等），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，工藝簡單，能大幅度節約電池的生產成本，受到業界的關注。3 D打印技術應用于薄膜電池已經取得了不少進展，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。由于太陽能薄膜電池厚度實在太薄，而內部的構造并不是均相材料，所以3D打印的方法則更加適用于太陽能薄膜電池的制造。因為3D打印技術不但可以合理的控制產品的厚度，也可以控制產品材料分布。但也正因為太陽能薄膜電池的厚度原因，需要3D打印技術對材料厚度要有更加精確的控制，也只有這樣，才能在太陽能薄膜電池制造過程中發揮更大的作用[5]。

目前能夠比較成熟的應用到薄膜電池領域的加工工藝主要是前電極的制備，使用3D打印技術制造前電極的柵線，代替目前主流的絲網印刷等方式。由于傳統絲印方式技術的限制，柵線高寬比、精度方面已很難以比較經濟的方式提升，而3D打印技術則能從本質上改善這種狀況。總體來說3D打印技術制造電池電極具備以下優勢：可以使用不同金屬材料，減少對銀材料的依賴，使用更經濟的導電材料;材料利用率高，減少材料的浪費，降低成本;加工過程不需要與發電膜層接觸，減少破壞，提高了制程的良率;打印墨水使用比絲印銀漿更小直徑的金屬顆粒，能獲得更好的歐姆接觸;柵線高寬比、精度方面得到進一步提高，3D金屬打印技術加工能力已經能達到幾微米的尺度。作為新一代的金屬化技術，3D打印必將代替傳統的絲網印刷技術，促進光伏產業制造技術升級[6]。

5 結論

根據本文所寫，隨著世界各地對能源使用的急劇消耗，限制經濟發展的一重大因素就包括了環境問題，無污染、充足、可持續發展的太陽能源成為許多國家最具潛力的新能源之一。我國現階段需要做的就是降低薄膜太陽能電池的成本，并提高轉換率。當然，隨著我國不斷研制出新的技術和材料，如3D打印技術，成本和效率的問題想必很快就可以得到有效解決。雖然現階段硅太陽能電池仍在市場上有著舉足若輕的地位，但隨著技術的不斷進步與完善，我國薄膜太陽能電池的制造技術一定會得到大幅提升。

參考文獻：

[1]鐘東霞，毛成根，鐘迪，連加榮.鈣鈦礦太陽能電池缺陷鈍化技術的研究進展[J].人工晶體學報，2019，48（12）：2344-2358.

[2]閆業玲，曹俊媚，孟凡寧，王寧，高立國，馬廷麗.大面積鈣鈦礦太陽能電池[J].化學進展，2019，31（07）：1031-1043.

[3]應承展，呂秋娟，劉朝輝，畢松，侯根良，湯進.碳材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用[J].材料工程，2019，47（06）：1-10.

[4]張環宇.鍶取代少鉛有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池材料的制備及其光電性能研究[D].北京：北京科技大學，2019.

[5]王永玲.高效電子傳輸層的制備及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用[D].北京：中國科學院大學（中國科學院過程工程研究所），2019.

[6]張愿成，吳新正，鄭建華，等.3D打印技術在光伏領域應用前景分析[J].新材料產業，2014（9）：39-43.