結合3D打印和電噴霧技術制備薄膜太陽能電池

莫東鳴，裴江紅

(重慶工業職業技術學院 機械工程與自動化學院，重慶 401120)

0 引 言

太陽能光伏發電具有安全可靠、無污染、制約少、故障率低、且維護簡便等諸多優點，從而為人類大規模利用太陽能開辟了廣闊的前景。在太陽能電池中，薄膜太陽能電池具有成本低廉、合成工藝簡單、容易加工和成膜、電池制作的結構可多樣化的優點，是太陽能電池制備的一個新方向。而薄膜太陽能電池面臨的一個挑戰是如何進行大面積的制備，且能夠獲得優良的光電轉換效率[1-2]。近年來，很多國內外學者對薄膜太陽能電池的制備技術進行了研究和完善工作，但當前常用卷對卷的方法制備薄膜太陽能電池，制備過程中常使用刮涂法，刮涂法成膜很慢，且溶液濃度大時容易形成團聚或結晶析出，使得薄膜太陽能電池的厚度不均勻、質量差[3]。針對現有技術中薄膜太陽能電池成品厚度不均勻問題，本文提出了一種均勻成膜的卷對卷制備薄膜太陽能電池的裝置，可以生產更薄、均勻性更佳、制造面積可擴展的太陽能薄膜電池。

1 研究內容和目標

1.1 研究內容

來自美國康涅狄格大學的科學家借鑒3D打印的理念，采用電噴霧方法將兩種聚合單體先分別形成納米級液滴，然后噴霧到基底上，再通過聚合形成聚酰胺，實現了膜厚和粗糙度都可精確調控的聚酰胺薄膜[4]。因此，在太陽能薄膜的生產上，可以借鑒以上的方案，采用3D打印的理念結合電噴霧方法，最終設計出一種生產柔性更佳、轉換效率更優的太陽能薄膜電池制備設備。

1.2 研究目標

通過挖掘3D打印柔性佳的優點，結合電噴霧噴涂成膜效果好的特點，合理有效地設計出太陽能薄膜電池制備設備，擴大太陽能薄膜電池制備面積、提高太陽能薄膜電池均勻性、減小太陽能電池薄膜厚度。

2 設備結構及工作原理

2.1 設備結構

本文設計的卷對卷制備薄膜太陽能電池的裝置，包括用于形成靜電噴涂的電源，電源的正極連接有噴槍，電源的負極連接有基座，基座上設有傳送帶，傳送帶上設有可隨傳送帶一起運動的薄膜；噴槍和基座對向設置；傳送帶上方設有兩個用于壓住薄膜的滾筒，滾筒位于傳送帶的兩端，且滾筒的軸向均垂直于傳送帶的運動方向。

圖1 設備結構主視圖

圖2 設備結構俯視圖

2.2 設備工作原理

采用3D打印與電噴霧技術方案結合卷對卷制備薄膜太陽能電池的設備，用于形成靜電噴涂的電源通常為高壓電源(例如電壓為30 kV)，在高壓電源的作用下，噴槍與電源正極連接，基座與電源負極連接，因此噴槍和基座之間形成靜電場；噴槍噴出的溶液微粒帶有正電荷，因此微粒在電場力的作用下將朝向基座的方向運動，而溶液微粒之間受到彼此的庫侖排斥力而形成納米級液滴，加上薄膜帶有負電荷，因此溶液微粒將一層層均勻的沉積在薄膜上，薄膜上能得到均勻、厚度薄的微粒層，該種微粒層將提高薄膜的光電轉換效率；具體可以通過控制噴嘴噴出溶液的濃度、傳送帶的移動速度來對薄膜上微粒沉積層的厚度進行調控；兩端的滾筒能壓住位于傳送帶兩端的薄膜，防止薄膜翹起，有利于薄膜上微粒層的均勻沉積。此處卷對卷是指薄膜的一端為卷出端，卷出端的薄膜依次進入本裝置噴涂微粒后依次被卷入端卷入，因此裝置內的薄膜段的兩端均被卷筒卷起。

噴槍固定在支撐架上，支撐架可在驅動結構的帶動下進行直線運動，其運動方向垂于傳送帶運動的方向。噴槍可移動，能滿足寬度大的薄膜的制備，可使噴槍在薄膜的寬度方向進行移動，從而使得薄膜的寬度方向均沉積有微粒；在具體應用中，也可在薄膜的寬度方向設置多個噴槍，以增快薄膜制備的效率。噴槍的數量為兩個。兩個噴槍能同時噴出兩種不同的微粒，滿足不同薄膜對沉積微粒的要求。具體應用時，噴槍的數量也可以為多個。

驅動結構包括直線電機和滑軌，支撐架兩端均固定在滑軌的滑塊上，任一個滑塊與直線電機固定連接。支撐架固定在滑塊上，滑塊在直線電機的帶動下將在滑軌上運動，從而將噴槍噴出的溶液微粒噴灑在薄膜的整個寬度方向。

滾筒中部設有旋轉軸，旋轉軸兩端均設有滾筒架，滾筒通過旋轉軸在旋轉電機的帶動下進行轉動。滾筒在旋轉電機的帶動下進行轉動，具體應用時，滾筒的轉動方向與薄膜的運動方向相同，滾筒運動的線速度和薄膜運動的速度相同，以便將薄膜壓平的同時減少對薄膜的損傷。

由于采用了上述技術方案，本設備的有益效果是：使用高壓電源，在噴槍和基座之間形成靜電場，使得噴槍噴出的正電荷溶液微粒受到電場力的作用，和彼此間的庫侖排斥力，從而均勻的沉積在薄膜上，最終能得到厚度薄、粗糙度低、具有優良的光電轉換效率的薄膜。

3 結束語

針對現有技術中薄膜太陽能電池成品厚度不均勻問題，本文設計了一種結合3D打印和電噴霧技術、能夠均勻成膜的卷對卷制備薄膜太陽能電池的設備。這種設備結構簡單，能夠高效制備太陽能薄膜電池。該設備有望在多功能薄膜的蓬勃發展中迅速得到推廣和應用，對改善和提高人類生活質量發揮關鍵作用。