莫東鳴，裴江紅

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 401120)

0 引 言

太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無污染、制約少、故障率低、且維護(hù)簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而為人類大規(guī)模利用太陽能開辟了廣闊的前景。在太陽能電池中，薄膜太陽能電池具有成本低廉、合成工藝簡單、容易加工和成膜、電池制作的結(jié)構(gòu)可多樣化的優(yōu)點(diǎn)，是太陽能電池制備的一個(gè)新方向。而薄膜太陽能電池面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何進(jìn)行大面積的制備，且能夠獲得優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率[1-2]。近年來，很多國內(nèi)外學(xué)者對薄膜太陽能電池的制備技術(shù)進(jìn)行了研究和完善工作，但當(dāng)前常用卷對卷的方法制備薄膜太陽能電池，制備過程中常使用刮涂法，刮涂法成膜很慢，且溶液濃度大時(shí)容易形成團(tuán)聚或結(jié)晶析出，使得薄膜太陽能電池的厚度不均勻、質(zhì)量差[3]。針對現(xiàn)有技術(shù)中薄膜太陽能電池成品厚度不均勻問題，本文提出了一種均勻成膜的卷對卷制備薄膜太陽能電池的裝置，可以生產(chǎn)更薄、均勻性更佳、制造面積可擴(kuò)展的太陽能薄膜電池。

1 研究內(nèi)容和目標(biāo)

1.1 研究內(nèi)容

來自美國康涅狄格大學(xué)的科學(xué)家借鑒3D打印的理念，采用電噴霧方法將兩種聚合單體先分別形成納米級液滴，然后噴霧到基底上，再通過聚合形成聚酰胺，實(shí)現(xiàn)了膜厚和粗糙度都可精確調(diào)控的聚酰胺薄膜[4]。因此，在太陽能薄膜的生產(chǎn)上，可以借鑒以上的方案，采用3D打印的理念結(jié)合電噴霧方法，最終設(shè)計(jì)出一種生產(chǎn)柔性更佳、轉(zhuǎn)換效率更優(yōu)的太陽能薄膜電池制備設(shè)備。

1.2 研究目標(biāo)

通過挖掘3D打印柔性佳的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電噴霧噴涂成膜效果好的特點(diǎn)，合理有效地設(shè)計(jì)出太陽能薄膜電池制備設(shè)備，擴(kuò)大太陽能薄膜電池制備面積、提高太陽能薄膜電池均勻性、減小太陽能電池薄膜厚度。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的卷對卷制備薄膜太陽能電池的裝置，包括用于形成靜電噴涂的電源，電源的正極連接有噴槍，電源的負(fù)極連接有基座，基座上設(shè)有傳送帶，傳送帶上設(shè)有可隨傳送帶一起運(yùn)動(dòng)的薄膜；噴槍和基座對向設(shè)置；傳送帶上方設(shè)有兩個(gè)用于壓住薄膜的滾筒，滾筒位于傳送帶的兩端，且滾筒的軸向均垂直于傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)主視圖

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)俯視圖

2.2 設(shè)備工作原理

采用3D打印與電噴霧技術(shù)方案結(jié)合卷對卷制備薄膜太陽能電池的設(shè)備，用于形成靜電噴涂的電源通常為高壓電源(例如電壓為30 kV)，在高壓電源的作用下，噴槍與電源正極連接，基座與電源負(fù)極連接，因此噴槍和基座之間形成靜電場；噴槍噴出的溶液微粒帶有正電荷，因此微粒在電場力的作用下將朝向基座的方向運(yùn)動(dòng)，而溶液微粒之間受到彼此的庫侖排斥力而形成納米級液滴，加上薄膜帶有負(fù)電荷，因此溶液微粒將一層層均勻的沉積在薄膜上，薄膜上能得到均勻、厚度薄的微粒層，該種微粒層將提高薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率；具體可以通過控制噴嘴噴出溶液的濃度、傳送帶的移動(dòng)速度來對薄膜上微粒沉積層的厚度進(jìn)行調(diào)控；兩端的滾筒能壓住位于傳送帶兩端的薄膜，防止薄膜翹起，有利于薄膜上微粒層的均勻沉積。此處卷對卷是指薄膜的一端為卷出端，卷出端的薄膜依次進(jìn)入本裝置噴涂微粒后依次被卷入端卷入，因此裝置內(nèi)的薄膜段的兩端均被卷筒卷起。

噴槍固定在支撐架上，支撐架可在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向垂于傳送帶運(yùn)動(dòng)的方向。噴槍可移動(dòng)，能滿足寬度大的薄膜的制備，可使噴槍在薄膜的寬度方向進(jìn)行移動(dòng)，從而使得薄膜的寬度方向均沉積有微粒；在具體應(yīng)用中，也可在薄膜的寬度方向設(shè)置多個(gè)噴槍，以增快薄膜制備的效率。噴槍的數(shù)量為兩個(gè)。兩個(gè)噴槍能同時(shí)噴出兩種不同的微粒，滿足不同薄膜對沉積微粒的要求。具體應(yīng)用時(shí)，噴槍的數(shù)量也可以為多個(gè)。

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括直線電機(jī)和滑軌，支撐架兩端均固定在滑軌的滑塊上，任一個(gè)滑塊與直線電機(jī)固定連接。支撐架固定在滑塊上，滑塊在直線電機(jī)的帶動(dòng)下將在滑軌上運(yùn)動(dòng)，從而將噴槍噴出的溶液微粒噴灑在薄膜的整個(gè)寬度方向。

滾筒中部設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸兩端均設(shè)有滾筒架，滾筒通過旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，具體應(yīng)用時(shí)，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與薄膜的運(yùn)動(dòng)方向相同，滾筒運(yùn)動(dòng)的線速度和薄膜運(yùn)動(dòng)的速度相同，以便將薄膜壓平的同時(shí)減少對薄膜的損傷。

由于采用了上述技術(shù)方案，本設(shè)備的有益效果是：使用高壓電源，在噴槍和基座之間形成靜電場，使得噴槍噴出的正電荷溶液微粒受到電場力的作用，和彼此間的庫侖排斥力，從而均勻的沉積在薄膜上，最終能得到厚度薄、粗糙度低、具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率的薄膜。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有技術(shù)中薄膜太陽能電池成品厚度不均勻問題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合3D打印和電噴霧技術(shù)、能夠均勻成膜的卷對卷制備薄膜太陽能電池的設(shè)備。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，能夠高效制備太陽能薄膜電池。該設(shè)備有望在多功能薄膜的蓬勃發(fā)展中迅速得到推廣和應(yīng)用，對改善和提高人類生活質(zhì)量發(fā)揮關(guān)鍵作用。