本發(fā)明屬于新材料及新能源領(lǐng)域，涉及一種薄膜太陽能電池及其制備方法，尤其涉及一種基于3D打印技術(shù)制備的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池。
背景技術(shù)：
：超輕材料是一類正在得到高速發(fā)展的新材料，氣凝膠、泡沫材料等超輕材料已經(jīng)在隔音、隔熱、廢水廢氣、除塵等領(lǐng)域得到諸多應(yīng)用。任何器件、裝備的運(yùn)行，首先需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。因?yàn)橹亓俊⒊叽邕h(yuǎn)大于超輕結(jié)構(gòu)毫微米器件或裝備，常規(guī)的電力無法作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)超輕結(jié)構(gòu)毫微米器件運(yùn)行。采用3D打印技術(shù)，制備具有精細(xì)微納米三維結(jié)構(gòu)的超輕材料，使得材料具有超輕質(zhì)量、同時(shí)具有可比擬甚至超越塊體材料的優(yōu)秀機(jī)械性能，如美國麻省理工機(jī)械系方絢萊教授等，制備了陶瓷基3D打印超輕點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料，在具有陶瓷材料高強(qiáng)度基礎(chǔ)上，還具有非常優(yōu)異的韌性，在航空航天、高鐵、汽車、火箭、導(dǎo)彈等方面具有重大應(yīng)用前景。在精細(xì)微納米三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)超材料基礎(chǔ)上，可以制備得到基于超輕結(jié)構(gòu)材料的超輕器件或毫微米尺度的微型設(shè)備。常規(guī)電池的重量與超輕結(jié)構(gòu)器件、設(shè)備相比過重，具有超輕結(jié)構(gòu)、同時(shí)能夠產(chǎn)生電能、能夠與超輕結(jié)構(gòu)器件、設(shè)備結(jié)合起來的驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)亟待解決的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：步驟A:選擇基板,再在基板表面均勻涂布感光光刻膠；步驟B：利用3D打印機(jī)在得到的涂布有光刻膠的基板上確定曝光區(qū)域，對(duì)曝光區(qū)域進(jìn)行固化；步驟C：對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影、定影處理，對(duì)固化部分進(jìn)行進(jìn)一步固化、強(qiáng)化，并對(duì)未固化部分清洗去除；步驟D：在制備有光刻圖案的基板上沉積薄膜太陽能電池；步驟E：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重復(fù)上述步驟B到步驟D過程，清洗去除所有固化光刻膠,得到超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池。所述步驟E中，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定步驟B到步驟D的循環(huán)重復(fù)次數(shù)。本發(fā)明采用光刻、3D打印、真空鍍膜相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。具體過程為：涂布感光膠、用3D打印系統(tǒng)控制感光區(qū)域、用溶劑去除光刻膠非固化部分、采用真空鍍膜的方法在固化的光刻膠表面沉積薄膜，根據(jù)3D輸出圖像重復(fù)上述過程，得到含有固化光刻膠的太陽能電池，用可溶解固化光刻膠的溶劑清洗去除固化的光刻膠，得到超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述步驟A，利用滾涂、刮涂和噴涂中至少一種方法均勻涂布感光光刻膠。優(yōu)選的，所述步驟B包括：對(duì)步驟A得到的涂布有光刻膠的基板，利用3D打印機(jī)控制曝光光源的輸出特性形成所需要的曝光區(qū)域、或者采用掩模板控制曝光區(qū)域、或者二者共同作用控制曝光；且光刻膠的曝光時(shí)間由3D打印機(jī)控制光源的開關(guān)時(shí)間、或者對(duì)光源直接設(shè)定開關(guān)時(shí)間控制。優(yōu)選的，所述步驟D中，沉積薄膜太陽能電池時(shí)的具體步驟為：D1：采用真空鍍膜方法沉積得到透明導(dǎo)電膜-Tp；D2：沉積空穴導(dǎo)電性半導(dǎo)體薄膜-P型層；D3：沉積本征半導(dǎo)體薄膜-I型層；D4：沉積電子導(dǎo)電性半導(dǎo)體薄膜-N型層；D5：沉積透明導(dǎo)電薄膜-Tn。優(yōu)選的，所述步驟D中，Tp和Tn采用相互連接或者獨(dú)立的方式，形成光伏轉(zhuǎn)換的薄膜，采用單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)中的一種。優(yōu)選的，所述步驟D中，沉積每一層薄膜時(shí)，采用掩模或者采用點(diǎn)狀或線性沉積鍍膜源移動(dòng)掃描沉積的方法，確保太陽能電池單元中，與P層相連的透明導(dǎo)電層Tp、與N層相連的透明導(dǎo)電層Tn，二者是不導(dǎo)通的；以及不同太陽能電池之間正確的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述步驟D1中，透明導(dǎo)電膜采用ITO、AZO和FTO薄膜中的一種。優(yōu)選的，所述步驟A中，光刻膠的涂布厚度為1nm至10mm。優(yōu)選的，所述步驟A中，曝光光源為發(fā)出紫外光或者藍(lán)光的至少一種的光源或電子束源。優(yōu)選的，所述步驟E中，采用丙酮將UV固化膠溶解去除。本發(fā)明提供的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法，一方面具有超輕材料密度極低的特征，另一方面具有太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能力。未來將在具有納微米精細(xì)結(jié)構(gòu)特征的超輕材料構(gòu)成的毫微米及更大尺度的器件、儀器、設(shè)備中發(fā)揮重要作用。附圖說明圖1是本發(fā)明一種還沒有去除基板、光刻膠的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的剖面圖，其中的太陽能電池單元為并聯(lián)方式。圖2是本發(fā)明一種還沒有去除基板、光刻膠的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的剖面圖，其中的太陽能電池單元為串聯(lián)方式。圖3是本發(fā)明單結(jié)太陽能電池單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明雙結(jié)太陽能電池單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明太陽能電池單元為扇葉結(jié)構(gòu)的太陽能電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明太陽能電池單元為立方結(jié)構(gòu)的太陽能電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：圖1、圖2分別是本發(fā)明公開的一種沒有去除基板、光刻膠的并聯(lián)、串聯(lián)方式超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的剖面圖，圖3和圖4是構(gòu)成超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)的太陽能電池單元，圖5和圖6是不同立體結(jié)構(gòu)的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)剖面示意圖。如圖5和圖6所示，超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)，是由太陽能電池單元6、太陽能電池單元之間的導(dǎo)電引線5和7、鏤空區(qū)8、以及不同太陽能電池單元鏤空區(qū)域共同組成。其特征在于，1、多個(gè)太陽能電池單元組合形成超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池，太陽能電池單元之間為沒有任何固態(tài)物質(zhì)的空心區(qū)。2、太陽能電池單元組成形成立體的超輕結(jié)構(gòu)時(shí)，可以扇葉結(jié)構(gòu)、蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)則或不規(guī)則立體結(jié)構(gòu)。3、所有的太陽能電池單元形成的立體結(jié)構(gòu)，其中的電極線或電極膜的接觸、連接方式，滿足太陽能電池的輸出特性要求。4、形成立體結(jié)構(gòu)的太陽能電池單元的數(shù)量沒有限制，最少為1個(gè)、2個(gè)太陽能電池單元，最多可不低于10萬、百萬個(gè)。如圖3和圖4所示，超輕結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池單元，1、組成太陽能電池單元的P、I、N及電極，均為通過真空鍍膜的方法制備的薄膜，而薄膜沉積所需的基片已經(jīng)被去除。2、形成光伏轉(zhuǎn)換的薄膜，可以是單結(jié)P、I、N層，也可以是雙結(jié)、或者多結(jié)。3、電池單元的大小為毫微米級(jí)，最大也不超過10mm。4、所有可以采用真空鍍膜方法制備為薄膜的、具有光伏特性的材料，均可以是組成該太陽能電池單元的物質(zhì)。本發(fā)明提供了一種超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：步驟一：選擇平面、曲面或一定立體構(gòu)型的固體材料作為基板0，該基板0的頂視面的幾何特征根據(jù)所需要的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池的構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。步驟二：在基板0表面利用滾涂、刮涂、噴涂或其它方法均勻涂布感光光刻膠。光刻膠可以是光固化膠，或者非受光區(qū)域固化、而受光區(qū)域不會(huì)固化的膠。光刻膠的涂布厚度在數(shù)納米到數(shù)毫米范圍內(nèi)。步驟三：對(duì)上面得到的涂布有光刻膠的基板，利用3D打印機(jī)控制曝光光源的輸出特性形成所需要的曝光區(qū)域、或者利用掩模版控制曝光區(qū)域、或者二者共同作用控制曝光，光刻膠的曝光時(shí)間，由3D打印機(jī)控制光源的開關(guān)時(shí)間、或者對(duì)光源直接設(shè)定開關(guān)時(shí)間控制。根據(jù)光刻膠的曝光時(shí)間、以及光刻膠本身的性質(zhì)，曝光后的光刻膠，可以是曝光部分（或非曝光部分，視光刻膠特性）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、藍(lán)光等各種波長的光源，或者混合光源。光源產(chǎn)生光的方法可以是LED，或者弧光燈。步驟四，上述曝光完成后，對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影、定影處理，即使得光刻膠固化的部分04留下，未固化的部分被清洗去除。根據(jù)光刻膠的特性，或者直接采用可沖洗除去未固化膠的液體進(jìn)行沖洗去除，或者先采用定影劑對(duì)固化部分4進(jìn)行進(jìn)一步固化、強(qiáng)化，然后對(duì)未固化部分清洗去除。步驟五，在制備有光刻圖案的基板上沉積薄膜太陽能電池。沉積薄膜太陽能電池時(shí)的具體步驟為：1、采用真空鍍膜方法沉積透明導(dǎo)電膜1（Tp），如ITO、AZO或FTO薄膜等；2、沉積空穴導(dǎo)電性半導(dǎo)體薄膜2P（P型層）；3、沉積本征半導(dǎo)體薄膜2I（I型層）；4、沉積電子導(dǎo)電性半導(dǎo)體薄膜2N；5、接著沉積透明導(dǎo)電薄膜3（Tn）；可以繼續(xù)沉積其它有助于提高光伏效率的薄膜。在步驟五過程中，薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)需要事先設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的要點(diǎn)為：1、同一個(gè)太陽能電池單元，與P型層連接的導(dǎo)電薄膜電極Tp、與N型層連接的導(dǎo)電薄膜電極Tn，二者之間是不能導(dǎo)通的；2、為了滿足電性能輸出需求，不同太陽能電池單元之間，可以是串連或者并聯(lián)，即不同太陽能電池單元的Tp、Tn，可以是太陽能電池單元k的Tpk與太陽能電池單元l的Tnl連接（串連），或者是與Tpl連接（并聯(lián)）；3、為了提供太陽能電池單元的光伏效率，其中的PIN薄膜，可以是單結(jié)，即只有一層PIN，也可以是多結(jié)，即有多層PIN。為滿足上述設(shè)計(jì)要求，在沉積每一層薄膜時(shí)，需要采用掩?；蛘咂渌帘畏椒ā⒒蛘卟捎命c(diǎn)狀或線性沉積鍍膜源移動(dòng)掃描沉積的方法，確保太陽能電池單元中，與P層相連的透明導(dǎo)電層Tp、與N層相連的透明導(dǎo)電層Tn，二者是不導(dǎo)通的；以及不同太陽能電池之間正確的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。步驟六：根據(jù)最后超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，循環(huán)重復(fù)上述步驟一到步驟五過程，得到完整附有固化光刻膠的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池系統(tǒng)。其中，重復(fù)步驟三形成光刻圖案時(shí)，每次3D打印機(jī)輸出的圖案是變化的；重復(fù)步驟五、沉積薄膜太陽能電池時(shí)，前后之間Tp、Tn可以是相互連接的，也可以是獨(dú)立的。相互連接時(shí)，要根據(jù)所需求的輸出電源特性需求，確保前后Tp、Tn不被光刻膠全部覆蓋而無法沉積連通，以及實(shí)現(xiàn)正確的連接方式。步驟七：采用可溶解固化光刻膠4的溶劑，清洗去除所有固化光刻膠4，得到超輕結(jié)構(gòu)的太陽能電池系統(tǒng)。實(shí)施例1步驟一：選擇顯示器玻璃作為基板0；步驟二：刮涂法在基板0上面均勻涂布UV感光膠，感光膠厚度在50微米左右；步驟三：利用3D打印系統(tǒng)控制UV光源的UV光均勻輸出，對(duì)整個(gè)感光膠均勻曝光固化，形成固化膠4；未曝光固化的部分，利用去離子水清洗去除；步驟四：利用磁控濺射方法，在固化膠4上面，均勻沉積AZO透明導(dǎo)電薄膜1；步驟五：利用PECVD（等離子體輔助化學(xué)氣相沉積）方法，在AZO透明導(dǎo)電薄膜上面，依次沉積P、I、N型非晶硅薄膜，形成太陽能電池單元2；步驟六：利用磁控濺射方法，在太陽能電池單元2上面，沉積透明導(dǎo)電薄膜3；注意1和3是相互不接觸的，為保證1和3不互通，在沉積1、2、3過程中，通過縮減沉積面積實(shí)現(xiàn)；步驟七：在透明導(dǎo)電薄膜3的上面，接著涂布感光膠，并曝光固化，得到固化層4；本實(shí)施例的示意圖如圖2所示，為了保證電極引線連接，注意曝光圖案與前一次有區(qū)別，具體見圖2；步驟八：進(jìn)一步重復(fù)上述磁控濺射、PECVD工藝，最后得到剖面圖如圖2所示的樣品；步驟九：利用有機(jī)溶劑如丙酮，將UV固化膠溶解去除，得到從玻璃基板剝離、沒有固化膠殘留的超輕結(jié)構(gòu)太陽能電池。表1為超輕太陽能電池與常規(guī)薄膜太陽能電池對(duì)比優(yōu)勢(shì)表1序號(hào)項(xiàng)目超輕太陽能電池常規(guī)薄膜太陽能電池1太陽能電池單元可以為立體結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)2支撐機(jī)構(gòu)獨(dú)立自支撐結(jié)構(gòu)需要玻璃基板背板3PIN層全部是薄膜也可以全部是薄膜4多個(gè)電池組之間串并聯(lián)串并聯(lián)5制造技術(shù)先進(jìn)3D打印+真空鍍膜常規(guī)沉積法6在微納米器件中可以使用暫時(shí)無法使用7材料密度0.1-10mg/cm3以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3