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关于铜金属化降低光伏制造成本的研究
2013-10-24 15:05:21   来源:    点击:

  在发电领域,铜通常作为将电从一个地方传输到另一个地方的管道,比如发电厂的热交换器。目前的研究则正在尝试使铜在光伏发电系统里发挥...
  在发电领域,铜通常作为将电从一个地方传输到另一个地方的管道,比如发电厂的热交换器。目前的研究则正在尝试使铜在光伏发电系统里发挥价值。
 
  今年6月,纽约州能源研究和发展管理局(NYSERDA)奖励了88.7万美金给Intrinsiq 材料公司--一家致力于研究纳米级可印刷电子油墨的开发商,以帮助该公司将铜应用在太阳电池上的研究并将其商业化。
 
  Intrinsiq 材料公司的工厂位于英国的法恩伯勒和纽约州的罗切斯特,在研发纳米基铜油墨配方,用于电子印刷和光伏组件等方面。该公司的铜喷墨和铜浆丝网印刷是专门设计的,通过激光或宽带闪光技术在空气和室温条件下固化光子。Intrinsiq公司宣称其在某些基底上,其铜基材料的电导率堪与商业银油墨媲美。公司还有其他正在研发的产品,包括镍基和硅基的油墨。
 
  该公司继承了英国国防部针对电路板和其他应用的可印刷铜油墨的研究。Intrinsiq公司已经在罗切斯特成立新的独立总部,在众多应用中寻求发展半导体和光伏产业的技术。
 
  目前这家美国公司有8名员工,但由于这项研究的进行,有望再创造25个新职位。
 
  纽约州能源研究和发展管理局奖励条款规定:如果产品研发成功,Intrinsiq公司就要返还补贴。Intrinsiq公司也从私人投资者处获得了相应的资金。9月份,Intrinsiq材料公司从卡尤加创业基金获得了410万美元,继续其纳米级导电油墨技术的研究、发展和商业化。
 
  在联邦政府和州政府的援助基金帮助下,罗切斯特也在纽约州立大学的纳米科学与工程学院设立了“光伏制造和科技发展基金”,目的就是使纽约州成为发展光伏制造业的中心,而铜基材料则可以成为重要并且与众不同的角色。
 
  寻找银的替代品
 
  在太阳电池制造业中,最常见的导电材料就是银了,其价格约为铜的70倍有余。据纽约州能源研究和发展管理局介绍,Intrinsiq公司的技术有潜力可显著降低光伏制造成本,从而降低消费者的太阳能发电成本。
 
  “每次在行业会议上聊起各家光伏企业时,似乎大多数都用的是银浆,这是相当高成本的,” Intrinsiq材料公司副总裁兼COO Sujatha Ramanujan说到。“铜的导电性非常好且价格更低廉。所以我们看看为什么大家使用银,如果看看光伏产业就会发现首要问题--铜的效果不好。在标准配方中,铜易被氧化,会降低导电性。而我们的油墨新颖之处就是它导电率高且可沉积。在这个过程中,我们规避了光伏金属化中最大的风险。”
 
  沉积并不是光伏制造业里的新工艺。根据勒克斯研究,相对于传统的丝网印刷,沉积工具可减少银的用量达30%,提高绝对转换效率达0.3-0.5%。然而,在过去十年间,银价上涨了6倍,迫使光伏制造商尽量减少了银用量。勒克斯研究表明,由于铜的低成本和在电子工业尤其是半导体制造业中的广泛应用,它正成为取代银的领先竞争者。然而,由于其性能和耐久性的原因,铜基配方中的限制尚未达到其鼎盛时期。
 
  创造新配方
 
  Intrinsiq公司的技术是使用一种惰氧、高导和可印刷铜,并且不需要在传统烘箱中烘烤。Intrinsiq公司材料设计工艺创造了包覆颗粒以期控制来自外部基底的相容性、颗粒化学性和防腐性。纯纳米级金属颗粒包覆了专有涂层以防止气体腐蚀。该公司表示,涂层可使颗粒有效分散在油墨中,使印刷过程相对简单。屏幕胶由微米铜和纳米铜混合而成,粘合剂也在流变性和粘附性方面进行了优化。
 
  喷墨油墨和屏幕胶可以有效地在各种基底上印刷。用喷墨块铜的光子固化技术可以使电阻值增加近5倍,屏幕胶的激光固化是电阻率提升了4倍--尽管该公司承认,宽带固化性能仍有待提高。公司报告称,这样的结果是在英国范堡罗实验室,通过激光烧结在玻璃上丝网印刷图像得到的。
 
  块铜的电阻率计算如下:
 
  l将烧结条印刷在玻璃上并烧结
 
  l用接触轮廓确定烧结条的宽度和高度
 
  l电阻率=电阻×截面积/长度
 
  l块铜电阻率=1.68×10-6Ω·cm
 
  l块铜系数=电阻率/块铜电阻率
 
  Intrinsiq公司的铜基油墨电阻性能计算如下:
 
  喷墨计算
 
  l尺寸:宽1050μ×高1.25μ×长95mm
 
  lPEL喷墨打印纸电阻=10Ω
 
  l电阻率=1.38×10-5Ω·cm
 
  l块铜系数=8.2×块铜电阻率
 
  丝网印刷计算
 
  l尺寸:宽958μ×高34.2μ×长48mm
 
  lHP宣传纸电阻=0.8Ω
 
  l电阻率=5.46×10-5Ω·cm
 
  l块铜系数=32.5×块铜电阻率
 
  实际应用的铜
 
  Ramanujan介绍说Intrinsiq公司的铜油墨和铜浆的配方、沉积和固化工艺很完善,现已在其他方面有所应用。大多数公司目前的研发工作都是将其集成到现有的光伏制造工艺上。
 
  “技巧就在于将油墨应用在目前光伏电池制造商已经采用的工艺上,”她说。“你也不想重新颠覆整个工艺,只想融入其中。我们想的就是让油墨和工艺相结合。”
 
  目前,该公司正和一些不愿具名的光伏制造商合作,将铜配方和沉积系统整合到现有的生产线中。Ramanujan介绍说,纽约州能源研究和发展管理局允许Intrinsiq公司和光伏行业之外的公司合作,而公司也正在寻找其他行业的合作伙伴。
 
  Ramanujan表示,就整合工艺而言,站在工厂的环境管理角度来看,技术化的沉积和固化工艺使管理更加方便。
 
  光伏产业中普遍采用的典型减色工艺中使用了大量的有毒化学品,必须进行存储、应用然后处理。再减色工艺中,制造商必须使用金属涂覆整个基底的表面,然后再用化学方法除去不需要的部分。
 
  “这些都是有刺激性的化学品,对环境的破坏性非常大,”她补充到。“也很浪费,我们通过沉积避免腐蚀,将材料用在需要地方。”(编译:陈超
 

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