CN106784170B - 一种基于3d打印技术制备的超轻结构太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于3D打印技术制备的超轻结构太阳能电池。包括以下步骤：步骤A:选择基板,再在基板表面均匀涂布感光光刻胶；步骤B：利用3D打印机在得到的涂布有光刻胶的基板上确定曝光区域，对曝光区域进行固化；步骤C：对光刻胶进行显影、定影处理，对固化部分进行进一步固化、强化，并对未固化部分清洗去除；步骤D：在制备有光刻图案的基板上沉积薄膜太阳能电池；步骤E：循环重复上述步骤B到步骤D过程，清洗去除所有固化光刻胶,得到超轻结构太阳能电池。本发明一方面具有超轻材料密度极低的特征，另一方面具有太阳能电池将太阳能转换为电能的能力。
Description
技术领域
本发明属于新材料及新能源领域，涉及一种薄膜太阳能电池及其制备方法，尤其涉及一种基于3D打印技术制备的超轻结构太阳能电池。
背景技术
超轻材料是一类正在得到高速发展的新材料，气凝胶、泡沫材料等超轻材料已经在隔音、隔热、废水废气、除尘等领域得到诸多应用。任何器件、装备的运行，首先需要动力系统。因为重量、尺寸远大于超轻结构毫微米器件或装备，常规的电力无法作为动力源驱动超轻结构毫微米器件运行。
采用3D打印技术，制备具有精细微纳米三维结构的超轻材料，使得材料具有超轻质量、同时具有可比拟甚至超越块体材料的优秀机械性能，如美国麻省理工机械系方绚莱教授等，制备了陶瓷基3D打印超轻点阵结构材料，在具有陶瓷材料高强度基础上，还具有非常优异的韧性，在航空航天、高铁、汽车、火箭、导弹等方面具有重大应用前景。
在精细微纳米三维点阵结构超材料基础上，可以制备得到基于超轻结构材料的超轻器件或毫微米尺度的微型设备。常规电池的重量与超轻结构器件、设备相比过重，具有超轻结构、同时能够产生电能、能够与超轻结构器件、设备结合起来的驱动电源是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种超轻结构太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤A:选择基板,再在基板表面均匀涂布感光光刻胶；
步骤B：利用3D打印机在得到的涂布有光刻胶的基板上确定曝光区域，对曝光区域进行固化；
步骤C：对光刻胶进行显影、定影处理，对固化部分进行进一步固化、强化，并对未固化部分清洗去除；
步骤D：在制备有光刻图案的基板上沉积薄膜太阳能电池；
步骤E：根据结构设计，重复上述步骤B到步骤D过程，清洗去除所有固化光刻胶,得到超轻结构太阳能电池。
所述步骤E中，根据不同的结构设计来确定步骤B到步骤D的循环重复次数。
本发明采用光刻、3D打印、真空镀膜相结合的方式实现。具体过程为：涂布感光胶、用3D打印系统控制感光区域、用溶剂去除光刻胶非固化部分、采用真空镀膜的方法在固化的光刻胶表面沉积薄膜，根据3D输出图像重复上述过程，得到含有固化光刻胶的太阳能电池，用可溶解固化光刻胶的溶剂清洗去除固化的光刻胶，得到超轻结构太阳能电池系统。
优选的，所述步骤A，利用滚涂、刮涂和喷涂中至少一种方法均匀涂布感光光刻胶。
优选的，所述步骤B包括：对步骤A得到的涂布有光刻胶的基板，利用3D打印机控制曝光光源的输出特性形成所需要的曝光区域、或者采用掩模板控制曝光区域、或者二者共同作用控制曝光；且光刻胶的曝光时间由3D打印机控制光源的开关时间、或者对光源直接设定开关时间控制。
优选的，所述步骤D中，沉积薄膜太阳能电池时的具体步骤为：
D1：采用真空镀膜 方法沉积得到透明导电膜-Tp；
D2：沉积空穴导电性半导体薄膜-P型层；
D3：沉积本征半导体薄膜-I型层；
D4：沉积电子导电性半导体薄膜-N型层；
D5：沉积透明导电薄膜-Tn。
优选的，所述步骤D中， Tp和Tn采用相互连接或者独立的方式，形成光伏转换的薄膜，所得到的薄膜采用单结、双结和多结中的一种。”
优选的，所述步骤D中，沉积每一层薄膜时，采用掩模或者采用点状或线性沉积镀膜源移动扫描沉积的方法，确保太阳能电池单元中，与P层相连的透明导电层Tp、与N层相连的透明导电层Tn，二者是不导通的；采用掩模或者采用点状或线性沉积镀膜源移动扫描沉积的方法，，还需确保不同太阳能电池之间正确的串并联结构。。
优选的，所述步骤D1中，透明导电膜采用ITO、AZO和FTO薄膜中的一种。
优选的，所述步骤A中，光刻胶的涂布厚度为1nm至10mm。
优选的，所述步骤A中，曝光光源为发出紫外光或者蓝光的至少一种的光源或电子束源。
优选的，所述步骤E中，采用丙酮将UV固化胶溶解去除。
本发明提供的超轻结构太阳能电池及其制备方法，一方面具有超轻材料密度极低的特征，另一方面具有太阳能电池将太阳能转换为电能的能力。未来将在具有纳微米精细结构特征的超轻材料构成的毫微米及更大尺度的器件、仪器、设备中发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明一种还没有去除基板、光刻胶的超轻结构太阳能电池的剖面图，其中的太阳能电池单元为并联方式。
图2是本发明一种还没有去除基板、光刻胶的超轻结构太阳能电池的剖面图，其中的太阳能电池单元为串联方式。
图3是本发明单结太阳能电池单元结构示意图。
图4是本发明双结太阳能电池单元结构示意图。
图5是本发明太阳能电池单元为扇叶结构的太阳能电池系统结构示意图。
图6是本发明太阳能电池单元为立方结构的太阳能电池系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
图1、图2分别是本发明公开的一种没有去除基板、光刻胶的并联、串联方式超轻结构太阳能电池的剖面图，图3和图4是构成超轻结构太阳能电池系统的太阳能电池单元，图5和图6是不同立体结构的超轻结构太阳能电池系统剖面示意图。
如图5和图6所示，超轻结构太阳能电池系统，是由太阳能电池单元6、太阳能电池单元之间的导电引线5和7、镂空区8、以及不同太阳能电池单元镂空区域共同组成。其特征在于，1、多个太阳能电池单元组合形成超轻结构太阳能电池，太阳能电池单元之间为没有任何固态物质的空心区。2、太阳能电池单元组成形成立体的超轻结构时，可以扇叶结构、蜘蛛网结构、规则或不规则立体结构。3、所有的太阳能电池单元形成的立体结构，其中的电极线或电极膜的接触、连接方式，满足太阳能电池的输出特性要求。4、形成立体结构的太阳能电池单元的数量没有限制，最少为1个、2个太阳能电池单元，最多可不低于10万、百万个。
如图3和图4所示，超轻结构的薄膜太阳能电池单元， 1、组成太阳能电池单元的P、I、N及电极，均为通过真空镀膜的方法制备的薄膜，而薄膜沉积所需的基片已经被去除。2、形成光伏转换的薄膜，可以是单结P、I、N层，也可以是双结、或者多结。3、电池单元的大小为毫微米级，最大也不超过10mm。4、所有可以采用真空镀膜方法制备为薄膜的、具有光伏特性的材料，均可以是组成该太阳能电池单元的物质。
本发明提供了一种超轻结构太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选择平面、曲面或一定立体构型的固体材料作为基板0，该基板0的顶视面的几何特征根据所需要的超轻结构太阳能电池的构型进行设计和选择。
步骤二：在基板0表面利用滚涂、刮涂、喷涂或其它方法均匀涂布感光光刻胶。光刻胶可以是光固化胶，或者非受光区域固化、而受光区域不会固化的胶。光刻胶的涂布厚度在数纳米到数毫米范围内。
步骤三：对上面得到的涂布有光刻胶的基板，利用3D打印机控制曝光光源的输出特性形成所需要的曝光区域、或者利用掩模版控制曝光区域、或者二者共同作用控制曝光，光刻胶的曝光时间，由3D打印机控制光源的开关时间、或者对光源直接设定开关时间控制。根据光刻胶的曝光时间、以及光刻胶本身的性质，曝光后的光刻胶，可以是曝光部分（或非曝光部分，视光刻胶特性）完全固化，或者曝光部分部分固化。曝光所用的光源，可以是紫外、蓝光等各种波长的光源，或者混合光源。光源产生光的方法可以是LED，或者弧光灯。
步骤四，上述曝光完成后，对光刻胶进行显影、定影处理，即使得光刻胶固化的部分04留下，未固化的部分被清洗去除。根据光刻胶的特性，或者直接采用可冲洗除去未固化胶的液体进行冲洗去除，或者先采用定影剂对固化部分4进行进一步固化、强化，然后对未固化部分清洗去除。
步骤五，在制备有光刻图案的基板上沉积薄膜太阳能电池。沉积薄膜太阳能电池时的具体步骤为：1、采用真空镀膜方法沉积透明导电膜1（Tp），如ITO、AZO或FTO薄膜等；2、沉积空穴导电性半导体薄膜2P（P型层）；3、沉积本征半导体薄膜2I（I型层）；4、沉积电子导电性半导体薄膜2N；5、接着沉积透明导电薄膜3（Tn）；可以继续沉积其它有助于提高光伏效率的薄膜。
在步骤五过程中，薄膜太阳能电池的结构需要事先设计，设计的要点为：1、同一个太阳能电池单元，与P型层连接的导电薄膜电极Tp、与N型层连接的导电薄膜电极Tn，二者之间是不能导通的；2、为了满足电性能输出需求，不同太阳能电池单元之间，可以是串连或者并联，即不同太阳能电池单元的Tp、Tn，可以是太阳能电池单元k的Tpk与太阳能电池单元l的Tnl连接（串连），或者是与Tpl连接（并联）；3、为了提供太阳能电池单元的光伏效率，其中的PIN薄膜，可以是单结，即只有一层PIN，也可以是多结，即有多层PIN。
为满足上述设计要求，在沉积每一层薄膜时，需要采用掩模或者其它屏蔽方法、或者采用点状或线性沉积镀膜源移动扫描沉积的方法，确保太阳能电池单元中，与P层相连的透明导电层Tp、与N层相连的透明导电层Tn，二者是不导通的；以及不同太阳能电池之间正确的串并联结构。
步骤六：根据最后超轻结构太阳能电池系统设计，循环重复上述步骤一到步骤五过程，得到完整附有固化光刻胶的超轻结构太阳能电池系统。其中，重复步骤三形成光刻图案时，每次3D打印机输出的图案是变化的；重复步骤五、沉积薄膜太阳能电池时，前后之间Tp、Tn可以是相互连接的，也可以是独立的。相互连接时，要根据所需求的输出电源特性需求，确保前后Tp、Tn不被光刻胶全部覆盖而无法沉积连通，以及实现正确的连接方式。
步骤七：采用可溶解固化光刻胶4的溶剂，清洗去除所有固化光刻胶4，得到超轻结构的太阳能电池系统。
实施例1
步骤一：选择显示器玻璃作为基板0；
步骤二：刮涂法在基板0上面均匀涂布UV感光胶，感光胶厚度在50微米左右；
步骤三：利用3D打印系统控制UV光源的UV光均匀输出，对整个感光胶均匀曝光固化，形成固化胶4；未曝光固化的部分，利用去离子水清洗去除；
步骤四：利用磁控溅射方法，在固化胶4上面，均匀沉积AZO透明导电薄膜1；
步骤五：利用PECVD（等离子体辅助化学气相沉积）方法，在AZO透明导电薄膜上面，依次沉积P、I、N型非晶硅薄膜，形成太阳能电池单元2；
步骤六：利用磁控溅射方法，在太阳能电池单元2上面，沉积透明导电薄膜3；注意AZO透明导电薄膜1和沉积透明导电薄膜3是相互不接触的，为保证AZO透明导电薄膜1和沉积透明导电薄膜3不互通，在沉积AZO透明导电薄膜1、太阳能电池单元2、沉积透明导电薄膜3过程中，通过缩减沉积面积实现；
步骤七：在透明导电薄膜3的上面，接着涂布感光胶，并曝光固化，得到固化层4；本实施例的示意图如图2所示，为了保证电极引线连接，注意曝光图案与前一次有区别，具体见图2；
步骤八：进一步重复上述磁控溅射、PECVD工艺，最后得到剖面图如图2所示的样品；
步骤九：利用有机溶剂如丙酮，将UV固化胶溶解去除，得到从玻璃基板剥离、没有固化胶残留的超轻结构太阳能电池。
表1为超轻太阳能电池与常规薄膜太阳能电池对比优势
表1
| 序号 | 项目 | 超轻太阳能电池 | 常规薄膜太阳能电池 |
| 1 | 太阳能电池单元 | 可以为立体结构 | 平面结构 |
| 2 | 支撑机构 | 独立自支撑结构 | 需要玻璃基板背板 |
| 3 | PIN层 | 全部是薄膜 | 也可以全部是薄膜 |
| 4 | 多个电池组之间 | 串并联 | 串并联 |
| 5 | 制造技术 | 先进3D打印+真空镀膜 | 常规沉积法 |
| 6 | 在微纳米器件中 | 可以使用 | 暂时无法使用 |
| 7 | 材料密度 | 0.1-10 mg /cm3 |
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：选择基板,再在基板表面均匀涂布感光光刻胶；
步骤B：利用3D打印机在得到的涂布有光刻胶的基板上确定曝光区域，对曝光区域进行固化；
步骤C：对光刻胶进行显影、定影处理，对固化部分进行进一步固化、强化，并对未固化部分去除清洗；
步骤D：利用磁控溅射方法，在固化胶上面，均匀沉积透明导电薄膜；利用PECVD方法，在透明导电薄膜上面，依次沉积P、I、N型非晶硅薄膜，形成太阳能电池单元；利用磁控溅射方法，在太阳能电池单元上面，沉积透明导电薄膜；同一太阳能电池单元中与P层相连的透明导电薄膜Tp和与N层相连的透明导电薄膜Tn是相互不接触的，为保证同一太阳能电池单元中与P层相连的透明导电薄膜Tp和与N层相连的透明导电薄膜Tn不互通，在沉积透明导电薄膜Tp、太阳能电池单元、透明导电薄膜Tn过程中，通过缩减沉积面积实现；在透明导电薄膜的上面，接着涂布感光胶，并曝光固化，得到固化层；为了保证电极引线连接，曝光图案与前一次有区别；
步骤E：进一步重复上述磁控溅射、PECVD方法，再利用有机溶剂将UV固化胶溶解去除，得到从基板剥离、没有固化胶残留的超轻结构太阳能电池。
2.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤A，利用滚涂、刮涂和喷涂其中至少一种方法均匀涂布感光光刻胶。
3.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，透明导电薄膜Tp和透明导电薄膜Tn采用相互连接或者独立的方式，形成光伏转换的薄膜，所得到的薄膜采用单结和多结中的一种。
4.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，沉积每一层薄膜时，采用掩模或者采用点状或线性沉积镀膜源移动扫描沉积的方法，使太阳能电池单元中，与P层相连的透明导电薄膜Tp、与N层相连的透明导电薄膜Tn，二者是不导通的；采用掩模或者采用点状或线性沉积镀膜源移动扫描沉积的方法，还需确保不同太阳能电池之间正确的串并联结构。
5.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤D中，透明导电膜采用ITO、AZO和FTO薄膜中的一种。
6.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，光刻胶的涂布厚度为1微米至1毫米。
7.如权利要求1所述的超轻结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤E中，采用丙酮将固化胶溶解去除。
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