美国空军研究实验室通过3D打印降低太阳能电池制造成本

根据科学杂志“先进能源材料”（National Energy Materials）发表的一项新研究，美国空军研究实验室（AFRL）的研究人员正在采用3D打印方式，获得太阳能电池，并且他们发现了这其中大量未开发的应用潜力。
 
“太阳能是丰富的，它是免费的，”AFRL制造局的项目科学家Bag说： “太阳能电池可以以环保的方式发电，但目前复杂的制造成本使得技术成本高昂，我们正在研究材料和制造技术的新途径，使其成本更低。”
 
在蓬勃发展的太阳能产业中，效率是成功的关键因素，但并不是一个容易达到的途径。自从20世纪50年代人们开始研究太阳能电池以来，这项技术仍然复杂而且劳动密集。其中包括纯硅必须从原始材料中提取（石英砂是最常用的两种材料之一），然后转化成薄晶片。随后通过化学品处理这些硅晶片以形成极化电场。半导体、电池被封装在专门的支撑系统中，以便组成一个光伏模块，从而收集并将阳光的能量转换成电流。
 
使用太阳能的固有成本并不高，但与制造过程相关的高昂成本是广泛采用太阳能发电的严重障碍。
 
Bag的团队一直在努力探索创新解决方案。 “如果你想让太阳能发电具有市场竞争力，你需要使太阳能电池更有效率和更具成本效益，”Bag说,“硅电池使用纯无机材料，本质上非常困难，我们需要一种易于打印的材料，同时能够捕获阳光。”
 
找到合适材料的机遇很快就出现了 – 这种材料可以为无机、硬质硅提供可行的替代品。薄膜钙钛矿被证明具有优异的光吸收能力和强大的功率转换效率。然而，最近才被考虑作为太阳能发电能力的材料，Bag的研究专注于通过超声波雾化钙钛矿前体材料，这使得可以将细小的气溶胶微滴转移到气溶胶喷射喷墨打印机喷嘴中。在CAD建模提供的路径指引下，材料可以按照一定的方式涂覆到适当的表面上，从而创建一个太阳能电池。
 
应用前景可能是无穷无尽的，使用这种材料和3D打印工艺，AFRL发现可以制造用于在衣服上的柔性太阳能电池。还可以用到自动机器人、发光装置，甚至灵活的自供电传感器上。可以肯定的是，研究还处于初级阶段，但新制造过程的潜在影响是不能低估的，因为这其中成本节约可能是巨大的。
 
关于3D打印在太阳能领域的应用，国际上已经出现了各种解决方案。
 
2015年，澳洲的一支科学家团队研发出一种薄如纸片的有机可打印太阳能板，它甚至能为一整栋摩天大楼提供能源。研发者希望能够在不远的将来，以低能源为应用起点，逐步实现这种新型发电装置的商业化制造。这项技术可有效减少发达国家对传统能源的依赖，同时，也能为发展中国家提供一种经济、可实行的电力来源。与传统太阳能电池板不同的是，这些太阳能电池纸可以在包括玻璃和屋顶等实际的房屋位置上被直接打印出来。除了用在大型建筑物上，研发者还试图尝试将这些单元用于小物体，比如风靡全球的iPad。如果这一设想能实现，那么iPad的表面、笔记本背包和手机外壳将不仅仅充当包裹作用，它们还可以成为能源收集器，为这些可移动设备提供电能。
 
2015年，宾州州立大学（PennStateUniversity）联合伊利诺伊大学、UrbanaChampaign和3D打印光学器件厂商LUXeXcel的研究人员通过3D打印开发出更经济高效的太阳能系统。为了让CPV在普通的屋顶上使用，研究者将小型化的砷化镓光伏电池、3D打印的塑料透镜阵列和一个可移动的聚焦机构结合在一起，以减少CPV系统的大小、重量和成本。这些电池都小于1平方毫米，经过批量制造出来之后，然后将其以阵列的形式转移到一种薄玻璃或塑料片材上面。为了将太阳光聚焦在电池阵列上，研究人员将它们嵌入到一对3D打印的塑料透镜阵列之间。顶部透镜阵列中的每个小透镜的作用就像一个小放大镜，而底部阵列的小透镜则起到凹面镜的功能，两者正好匹配。而微型太阳能电池正好位于两个透镜中间的焦点处，在这个位置阳光被增强了超过200倍。而且在一天之内随着太阳的移动，中间的太阳能电池板沿着轨道在小透镜阵列之间横向滑动，因为焦点的位置在移动。
 
2015年，西班牙的Oxolutia公司也利用3D打印技术研制出了令一种全新的光电池：Solar Oxides。Solar Oxides意为太阳能氧化物，这是一种非常柔性的光伏太阳能电池，可通过3D打印制造。工程师团队使用了喷墨3D打印技术，该技术可以精确控制液滴在对象表面上的沉积，然后开发人员结合化学溶液沉积方法制造出氧化物薄膜，这些薄膜正好是太阳能电池所需要的。
 
不仅仅是国外的公司在3D打印太阳能电池方面取得了一系列的进展，我国的华中科技大学也在这个领域获得了突破。目前研究的钙钛矿电池主要沉积在导电玻璃(FTO，ITO)上，由于玻璃的易碎性，大大的限制了钙钛矿电池的应用。可穿戴电子设备的逐渐发展，柔性光电子器件研发受到了人们的重视。钙钛矿电池属于薄膜电池，其在一定程度上具有弯曲的能力，因而，柔性钙钛矿电池器件的制备成为可能。
 
华中科技大学针发明了柔性钙钛矿太阳能电池的结构，其目的在于通过采用高电导率的金属作为底电极取代传统的导电性较差的ITO，减小底电极电阻，使其具备制备大面积器件的潜能。3D科学谷了解到华中科技大学还通过采用无需高温加热的掺杂电子收集层收集电子，解决了柔性基底耐热性差的难题。华中科技大学的柔性钙钛矿太阳能电池可以应用在曲面墙壁，汽车顶端等不能用刚性材料的发电装置上，能够在不影响器件性能的情况下弯曲。
 
或许，随着这些研究的深入，让覆盖有太阳能电池板的汽车实现晴天无限里程的畅弛不再是梦想。
 
原文来源：3D科学谷