太阳能薄膜电池设计新方式！3D打印支架将提升其转换效率

来源：3D科学谷

根据 MaterialsViews，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

斯坦福大学材料科学与工程系的研究团队开展了钙钛矿薄膜太阳能电池领域的研究，他们对现有技术设备的断裂分析表明，钙钛矿有源层和相邻载流子选择性接触都是机械脆弱的 。这将严重影响太阳能电池的热机械可靠性和使用寿命该，也是这一太阳能电池技术走向成熟的主要障碍。针对上述问题，斯坦福大学研究团队采用新的思路设计钙钛矿薄膜太阳能电池，即复合太阳能电池（CSC）。复合太阳能电池内部的支架，解决了这些材料的内在脆弱性。

日前美国加州3D打印初创企业T3DP称，通过其专利的 “体积式3D打印技术/volumetric 3D printing ”，能够制造钙钛矿太阳能电池所需的内部支架。这一应用与斯坦福大学复合太阳能电池的设计方式有着类似之处，斯坦福大学有关复合太阳能电池的思路对其将3D打印应用扩展到新的视野非常有帮助。

3D打印仿生支架提高钙钛矿太阳能电池转换效率
斯坦福大学复合太阳能电池研究团队对研究成果的总结是，内部支架有效地将传统的单片平面太阳能电池分隔成尺寸可伸缩且机械屏蔽的单个钙钛矿电池阵列，其由周围的支架横向封装并通过前电极和后电极并联连接。

复合太阳能电池表现出显著增加的~13Jm-2的断裂能 。这一数据比先前报道的平面钙钛矿（~0.4Jm-2）增加30倍 ，同时保持与平面装置相当的效率。值得注意的是，在支架内形成的微电池的效率在面积得到调节的基础上与平面装置相当。这一发展是展示坚固的钙钛矿太阳能电池的重要一步，以实现与c-Si，CIGS和CdTe太阳能电池相比更高的可靠性和使用寿命。

T3DP 正在开展一项3D打印应用与上述太阳能电池的设计思路有着相似之处。根据该技术的主要发明者丹尼尔·克拉克的描述，钙钛矿是具有超导特性的钙钛氧化物晶体, 近年来这种材料引起了很多人的关注。钙钛矿太阳能电池属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。然而，由于钙钛矿的脆性，使得钙钛矿材料的制造难度非常大。由于钙钛矿与食盐有些相似，因此它需要支架将将其固定在适当的位置以保持稳定。

T3DP 在设计太阳能电池支架时采用了仿生学思路，灵感来自于苍蝇的眼睛。3D打印镀铜支架为六角型，类似于蝇眼的结构，电力可以通过支架直接传导，形成真正分散的太阳能设计，并行地规划电力。

目前在工业中使用的集中式太阳能电池板是串联的，类似于一串圣诞灯，当一个灯泡熄灭时，整个灯停止工作。但是集成3D打印支架的太阳能电池则不存在这个问题，在3D打印支架的保护下，每个子区都是分散独立工作的。

按此方法布置太阳能电池子区时，相同面积上可以使用双倍的太阳能材料，从而实现36％的太阳能电池板转换效率。根据3D科学谷的市场观察，目前这一设计已获得了加州智能太阳能解决方案提供商Infinity Energy的认可。

T3DP的目标是将3D打印的六角型支架融入于太阳能薄膜电池中，如果成功的话，将可获得50％的转换效率。

来源：3D科学谷