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太阳能薄膜电池制造技术改革

摘要:要得到更轻更薄、光电转换率更高的太阳能薄膜电池,除了电池本身材质的研究,太阳能薄膜电池的制造技术革新也是突破点之一。3D打印作为一种新型的加法制造技术,将会对太阳能薄膜电池的制造技术革新提供诸多帮助。

关键词:太阳能;太阳能薄膜电池;技术革新

1太阳能的优势

太阳能具有其它能源都无法比拟的优点。首先是太阳光的覆盖范围广,不受地域的限制,矿产被开采或核能的能量产生后,必须要有运输的过程,而太阳能则不同,可以现场采集现场使用。其次,太阳能的开发使用潜力大,矿产的开采总是有限度的,但太阳能却几乎可以说是取之不尽,用之不竭的,只要太阳继续向地球辐射能量,那我们就可以一直利用太阳能。再者,太阳能属于清洁能源,对环境没有任何危害,但在各种矿产的开采和使用过程中,无论是对人体的伤害还是对环境的污染作用都是巨大且不可避免的;对于核能,也存在很大的核污染隐患,核废料和核泄漏都是很严重的问题。在国内,雾霾时时触动着人们的神经,各种河流海洋的污染问题也层出不穷,环境保护更加得到人们的重视,这种情况下,清洁无污染的太阳能就更显得难能可贵。将来太阳能可以更好的工业化推广后,相信即使其成本会稍高,也必定会更加受国家、社会和消费者的青睐。因此,在应用太阳能已经得到越来越多的重视的同时,如何高效环保的利用太阳能就成了至关重要的问题。

2太阳能电池大规模应用的瓶颈

若想有效的利用太阳能,就必须要用到太阳能电池。在太阳光的照射下,太阳能电池可以瞬间输出电压并产生电流,通过光电效应或光化学效应将太阳能转换成电能。对于太阳能电池,主要有2方面问题阻碍了其大规模应用,一是成本,二是光电转换的效率。目前,虽然一部分太阳能电池的成本较低,但其光电转换效率非常不理想;另一部分太阳能电池虽然光电转换效率稍好,技术也较为成熟,但由于成本太高,难以被大规模推广。因而,从这两个方面解决太阳能电池本身的问题,才有可能进一步的对太阳能进行推广。利用太阳能电池时,除了上面提到的太阳能电池本身的技术性问题,还会遇到一些外界环境的不利因素。如辐射至地球的太阳能的总能量虽然比较巨大,但这种能量却是比较分散的,这就导致了太阳能收集的不易。再者,即使在同一地点,不同时间被辐射到的太阳能总量也是不稳定的,要受季节、昼夜、天气等因素的影响。因此,虽然太阳能有诸多优点,且太阳能电池具备了一定的光电转换率,但太阳能电池的大规模推广应用仍任重而道远。

3太阳能薄膜电池的优点

在各种太阳能电池中,硅太阳能电池的发展和应用相对要成熟一些,目前属于在应用中相对多的太阳能电池。硅太阳能电池的缺点是当温度升高时,它的光电转换率会降低;但是金属氧化物的太阳能电池则不同,当温度升高时,金属氧化物太阳能电池的光电转换率也会升高。同时,金属氧化物的成本比硅低,且来源较广阔,这使得金属氧化物有更广阔的应用潜力。在太阳能电池中,金属氧化物是作用机理是首先将光子转化成电子,然后通过电子将水解离成氧气和氢气。更轻更薄、光电转换效率更高是太阳能电池的发展趋势,特别是对于应用在航空航天设备上的太阳能电池,对于太阳能电池的性能有着更严苛的要求。在太阳能电池中,太阳能薄膜电池有质量轻、厚度极薄、可弯曲的优点。在航天航空设备上利用太阳能电池时,选择太阳能薄膜电池有更多的优势,首先,薄膜电池的重量轻厚度薄,可以为飞行器节约更多的动力;其次,薄膜电池的可弯曲特性使其除了具有较好的强度外,还具备了更好的弯曲强度和韧性,这更有利于将薄膜电池包覆在飞行器上,从而可以更有效的采集太阳光。目前,太阳能薄膜电池的主要材质有铜铟镓硒、非晶体硅、碲化镉等。

4太阳能薄膜电池的制造技术革新

要制备出更轻更薄、光电转换率更高的太阳能薄膜电池,除了电池本身材质的研究,薄膜电池制造技术的革新也是研究的一大重点。对于相同的材料,不同的制造技术也会导致其性能的差异,因此,选择更科学的太阳能薄膜电池加工制造方法,对更优性能的太阳能薄膜电池研究是非常有益的。制造技术通常可被分为减法制造、等法制造和加法制造,减法制造无疑是最为人所知的形式,比如切削加工。等法制造一般是指在几乎不改变材料本身质量的情况下,通过技术手段改变其形状或内部结构,以得到理想的性能。加法制造是在制造的过程中,采取加量的方式,对单一零件进行制造,这是一种具有特色的新型制造方法。对于太阳能薄膜电池制造技术,应该更综合的考虑这3种方法,通过综合利用这3种制造方法,相信可以得到性能更优异的太阳能薄膜电池。在本文中,笔者主要对加法制造进行一些介绍,在加法制造中,最著名的就是3D打印技术。3D打印是一种可以快速成型的制造技术,它以电脑中建立的数字模型为基础,通过运用金属粉末或聚合物等材料的逐层固化,用来制造所要得到的产品。这种制造技术与传统的制造技术是截然不同的,传统制造的逻辑是先获取一种材质合理的材料,然后通过模具成型或切削等方式将其加工成想要的结构。这种制造方法不仅步骤复杂,而且不可避免的会浪费许多材料。特别是对于一些价格较高的材料和形状较为特别的部件,如一个曲度较为特别的钛合金扇页,当其被制造成型时,被去除掉的材料质量甚至远远高于剩下的有效部件的质量,这不仅是经济的浪费,也是一种能量的浪费。而3D打印则克服了这个缺点,在打印伊始,它就会按照既成模型的形状对原材料进行逐层加工,以一层一层打印叠加的方式,完成样品的成型。这种加工方法不仅可以有效节省原材料、节省加工能量,还更适用于制造一些特殊形状的部件,在加工过程中,也可以严格控制部件不同层面的材料属性。对于太阳能薄膜电池,虽然它的厚度较薄,但它并不是均相材料,特别是在厚度方向,材料分布情况更为复杂,这就使其更适用于3D打印的方法。3D打印不仅可以严格控制产品的厚度,还可以有效控制产品在厚度方向的材料分布。但其中的挑战也是极高的,因为太阳能薄膜电池的厚度极薄,这就要求3D打印时必须可以准确控制材料的厚度,这样才能在太阳能薄膜电池的制造技术革新过程中发挥更大的作用。

参考文献

[1]贺劼.太阳能的优势[J].建设科技,2006(8):72.

[2]王文采.太阳能电池[J].现代物理知识,2003,15(6):3-5.

[4]倪萌,MKLeung,KSumathy.太阳能电池研究的新进展[J].可再生能源,2004(2):9-11.

作者:常艳霞 单位:朔州职业技术学院

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