太陽能薄膜電池設(shè)計新方式！3D打印支架將提升其轉(zhuǎn)換效率

來源：3D科學(xué)谷

根據(jù) MaterialsViews，為了解決日益嚴峻的能源和環(huán)境問題，人們把目光投向了新能源的開發(fā)和利用上。在各種新能源技術(shù)中，光伏發(fā)電無疑是最具有前景的方向之一。傳統(tǒng)的硅基太陽能電池雖然實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，有著較為成熟的市場，但其性價比還無法與傳統(tǒng)能源相競爭，并且制造過程中的污染和能耗問題影響了其廣泛應(yīng)用。因此，研究和發(fā)展高效率、低成本的新型太陽能電池十分必要。在眾多的新型太陽能電池里，鈣鈦礦薄膜太陽能電池脫穎而出，吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，還被《Science》評選為2013年十大科學(xué)突破之一。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究團隊開展了鈣鈦礦薄膜太陽能電池領(lǐng)域的研究，他們對現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的斷裂分析表明，鈣鈦礦有源層和相鄰載流子選擇性接觸都是機械脆弱的 。這將嚴重影響太陽能電池的熱機械可靠性和使用壽命該，也是這一太陽能電池技術(shù)走向成熟的主要障礙。針對上述問題，斯坦福大學(xué)研究團隊采用新的思路設(shè)計鈣鈦礦薄膜太陽能電池，即復(fù)合太陽能電池（CSC）。復(fù)合太陽能電池內(nèi)部的支架，解決了這些材料的內(nèi)在脆弱性。

日前美國加州3D打印初創(chuàng)企業(yè)T3DP稱，通過其專利的 “體積式3D打印技術(shù)/volumetric 3D printing ”，能夠制造鈣鈦礦太陽能電池所需的內(nèi)部支架。這一應(yīng)用與斯坦福大學(xué)復(fù)合太陽能電池的設(shè)計方式有著類似之處，斯坦福大學(xué)有關(guān)復(fù)合太陽能電池的思路對其將3D打印應(yīng)用擴展到新的視野非常有幫助。

3D打印仿生支架提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率
斯坦福大學(xué)復(fù)合太陽能電池研究團隊對研究成果的總結(jié)是，內(nèi)部支架有效地將傳統(tǒng)的單片平面太陽能電池分隔成尺寸可伸縮且機械屏蔽的單個鈣鈦礦電池陣列，其由周圍的支架橫向封裝并通過前電極和后電極并聯(lián)連接。

復(fù)合太陽能電池表現(xiàn)出顯著增加的~13Jm-2的斷裂能 。這一數(shù)據(jù)比先前報道的平面鈣鈦礦（~0.4Jm-2）增加30倍 ，同時保持與平面裝置相當?shù)男�率。值得注意的是，在支架�?nèi)形成的微電池的效率在面積得到調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上與平面裝置相當。這一發(fā)展是展示堅固的鈣鈦礦太陽能電池的重要一步，以實現(xiàn)與c-Si，CIGS和CdTe太陽能電池相比更高的可靠性和使用壽命。

T3DP 正在開展一項3D打印應(yīng)用與上述太陽能電池的設(shè)計思路有著相似之處。根據(jù)該技術(shù)的主要發(fā)明者丹尼爾·克拉克的描述，鈣鈦礦是具有超導(dǎo)特性的鈣鈦氧化物晶體, 近年來這種材料引起了很多人的關(guān)注。鈣鈦礦太陽能電池屬于第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池。然而，由于鈣鈦礦的脆性，使得鈣鈦礦材料的制造難度非常大。由于鈣鈦礦與食鹽有些相似，因此它需要支架將將其固定在適當?shù)奈恢靡员３址�(wěn)定。

T3DP 在設(shè)計太陽能電池支架時采用了仿生學(xué)思路，靈感來自于蒼蠅的眼睛。3D打印鍍銅支架為六角型，類似于蠅眼的結(jié)構(gòu)，電力可以通過支架直接傳導(dǎo)，形成真正分散的太陽能設(shè)計，并行地規(guī)劃電力。

目前在工業(yè)中使用的集中式太陽能電池板是串聯(lián)的，類似于一串圣誕燈，當一個燈泡熄滅時，整個燈停止工作。但是集成3D打印支架的太陽能電池則不存在這個問題，在3D打印支架的保護下，每個子區(qū)都是分散獨立工作的。

按此方法布置太陽能電池子區(qū)時，相同面積上可以使用雙倍的太陽能材料，從而實現(xiàn)36％的太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，目前這一設(shè)計已獲得了加州智能太陽能解決方案提供商Infinity Energy的認可。

T3DP的目標是將3D打印的六角型支架融入于太陽能薄膜電池中，如果成功的話，將可獲得50％的轉(zhuǎn)換效率。

來源：3D科學(xué)谷