Как напечатать солнечные батареи: технологии и этапы
Солнечная энергетика постепенно становится не только сферой крупных электростанций, но и направлением для развития новых производственных технологий. Исследователи и инженеры работают над более легкими, гибкими и доступными фотоэлектрическими элементами. Одно из перспективных направлений связано с печатными методами производства. Именно поэтому вопрос о том, как напечатать солнечные батареи, сегодня уже не выглядит фантастикой.
При этом важно правильно понимать термин. Современная печать солнечных батарей существенно отличается от изготовления пластикового изделия на обычном FDM или SLA-принтере. Фотоэлектрический элемент представляет собой многослойную структуру, отдельные функциональные слои которой могут наноситься методами трафаретной, струйной, рулонной и других разновидностей печати. Перспективные органические и перовскитные элементы подходят для нанесения материалов из растворов, в том числе на гибкие основания.
Классическая 3D-печать при этом тоже может использоваться в солнечной энергетике. С ее помощью производят прототипы корпусов, крепления, монтажные элементы, защитные детали, технологическую оснастку и компоненты экспериментальных энергетических установок.
Что представляет собой печатная солнечная батарея
Обычная кремниевая солнечная панель состоит из фотоэлектрических ячеек, электрических соединений, защитных материалов, стекла, рамы и других компонентов. Под воздействием света фотоэлектрические элементы создают электрический ток.
Когда говорят про печатные солнечные элементы, чаще всего имеют в виду технологию, при которой определенные функциональные материалы последовательно наносятся на подготовленную поверхность.
В качестве основания могут использоваться:
- полимерные пленки;
- стекло;
- металлическая фольга;
- специальные композитные материалы;
- другие устойчивые подложки.
На поверхность последовательно формируются слои, отвечающие за перенос зарядов, поглощение света и электрические контакты.
Министерство энергетики США отмечает, что перовскитные фотоэлементы могут создаваться путем печати, нанесения покрытий или вакуумного осаждения функциональных слоев на подложку. Это один из примеров того, почему термин "печатная солнечная батарея" имеет вполне реальное технологическое содержание.
Можно ли напечатать солнечную батарею на обычном 3D-принтере
Полноценную эффективную солнечную панель нельзя просто загрузить в стандартный настольный 3D-принтер в виде STL-файла и получить готовое устройство через несколько часов.
Причина заключается в принципиально разной природе технологий.
FDM-принтер формирует трехмерную деталь путем послойной укладки расплавленного термопластика. SLA и фотополимерные системы создают изделие посредством контролируемого отверждения смолы. В обоих случаях главной задачей является получение пространственной геометрии.
Фотоэлектрический элемент работает иначе. Для него требуется создать несколько очень тонких функциональных слоев с определенными электрическими и оптическими свойствами. Кроме того, необходимо сформировать электроды, обеспечить контакты между компонентами и защитить структуру от внешней среды.
Поэтому 3D-печать солнечных батарей правильнее рассматривать как совокупность разных аддитивных и печатных процессов, а не как изготовление всей панели одним стандартным 3D-принтером.
При этом обычная аддитивная технология прекрасно дополняет производство. Например, на 3D-принтере можно изготовить корпус компактного солнечного устройства, кронштейн, рамку, адаптер или экспериментальный держатель фотоэлектрического модуля.
Какие солнечные элементы можно печатать
Наиболее перспективными с точки зрения печатного производства считаются технологии, позволяющие наносить функциональные материалы относительно тонкими слоями и обрабатывать их при подходящих для масштабирования температурах.
Органические солнечные элементы
Органическая фотовольтаика использует специальные полупроводниковые органические материалы. Одно из ее важных преимуществ связано с возможностью создавать легкие и гибкие конструкции.
Органические фотоэлементы могут наноситься на пленочные материалы с использованием рулонных технологических процессов. Благодаря этому рассматриваются варианты интеграции таких элементов в фасады, окна, автомобильные поверхности, пленочные конструкции и другие объекты, для которых масса и гибкость особенно важны.
Перовскитные солнечные элементы
Еще одно активно развивающееся направление связано с перовскитными материалами. Для их производства исследуются способы нанесения функциональных слоев из растворов.
Такая технология интересна возможностью масштабирования процессов нанесения покрытий и печати. Исследовательские центры рассматривают рулонное производство как один из вариантов перехода от лабораторных образцов к крупным объемам выпуска.
Перовскитные технологии также рассматриваются для совместного использования с кремниевыми элементами в многослойных тандемных конструкциях.
Кремниевые фотоэлементы
Большинство традиционных солнечных модулей по-прежнему основано на кремниевых технологиях. Здесь слово "печать" тоже может встречаться, однако обычно оно относится не к созданию всей ячейки, а к отдельным производственным операциям.
Например, печатные процессы применяются при формировании проводящих контактов и металлизации поверхности. Fraunhofer исследовал различные методы печатной металлизации солнечных элементов, включая ротационную трафаретную и флексографическую технологии.
Основные технологии печати солнечных батарей
Чтобы понять, как развивается современное производство солнечных панелей, стоит рассмотреть основные методы нанесения материалов.
Струйная печать
Принцип напоминает работу обычного струйного принтера, однако вместо стандартных чернил используются функциональные составы с точно заданными свойствами.
Печатающая система дозированно наносит материал на поверхность, формируя необходимый рисунок.
Преимущества метода:
- возможность создавать сложную геометрию;
- точное дозирование материала;
- сравнительно небольшой объем отходов;
- быстрая корректировка цифрового рисунка;
- удобство изготовления экспериментальных образцов.
Струйный подход особенно интересен при разработке прототипов и новых конфигураций фотоэлектрических элементов.
Трафаретная печать
Чернила или паста проходят через подготовленную сетчатую форму только в необходимых участках.
Такой метод давно применяется в электронной промышленности и хорошо подходит для быстрого формирования повторяющихся проводящих структур.
В солнечной энергетике трафаретная печать может использоваться для создания электрических контактов.
Slot-die coating
При таком способе жидкий функциональный материал равномерно распределяется по движущейся подложке через специальную щелевую головку.
Технология интересна возможностью получать непрерывные тонкие покрытия на сравнительно большой площади.
Для масштабного производства это особенно важно, поскольку фотоэлектрический материал необходимо распределять равномерно и с контролируемой толщиной.
Рулонная технология
Roll-to-roll представляет собой подход, при котором гибкая подложка перемещается между рулонами, а необходимые функциональные покрытия формируются непосредственно во время движения материала.
Таким способом потенциально можно организовать непрерывный выпуск длинных полотен с фотоэлектрическими структурами. Fraunhofer ISE указывает, что возможность нанесения органических и перовскитных материалов из растворов открывает перспективу их обработки на оборудовании roll-to-roll.
Главная идея заключается в переходе от последовательного изготовления отдельных жестких элементов к непрерывному технологическому процессу.
Как печатают солнечные батареи поэтапно
Конкретная технологическая схема зависит от типа фотоэлемента, используемых материалов и оборудования. Тем не менее общий принцип можно представить в виде нескольких стадий.
1. Подготавливают подложку
Первым этапом становится выбор основания.
Для экспериментального устройства это может быть стеклянная пластина. Для гибкого солнечного элемента используется подходящий пленочный материал.
Поверхность должна быть подготовлена к нанесению следующих слоев. Загрязнения или дефекты способны повлиять на равномерность покрытия.
2. Формируют проводящий слой
Солнечному элементу необходим электрический контакт, позволяющий отводить возникающий ток.
В зависимости от конструкции применяется прозрачный или непрозрачный проводящий слой.
При разработке печатных технологий одна из задач заключается в том, чтобы максимально совместить формирование электродов с производительными методами нанесения.
3. Наносят функциональные слои
Далее создается структура, необходимая для работы конкретного типа солнечного элемента.
Используемый процесс может включать:
- струйное нанесение;
- трафаретную печать;
- распыление;
- щелевое нанесение;
- рулонное покрытие;
- другие методы формирования тонких пленок.
Каждый слой должен иметь определенную толщину и однородность.
4. Добавляют фотоактивный материал
Это один из ключевых этапов.
Фотоактивный слой поглощает свет и участвует в процессе преобразования солнечной энергии в электрическую.
Состав такого слоя зависит от технологии. В органических элементах используются соответствующие полупроводниковые материалы, а в перовскитных системах применяются материалы с перовскитной структурой.
5. Создают электрические контакты
После формирования активной структуры необходимо обеспечить возможность подключения фотоэлемента к электрической цепи.
Проводящие дорожки должны иметь стабильные характеристики и минимальные электрические потери.
6. Выполняют сушку и обработку
После нанесения отдельных покрытий может потребоваться удаление растворителя, термическая обработка или другие операции.
Режимы обработки определяются используемым материалом. Именно поэтому промышленная печать фотоэлектрических элементов требует специализированного оборудования и точно контролируемого технологического процесса.
7. Защищают готовую структуру
Фотоэлектрические материалы необходимо защищать от механического воздействия и окружающей среды.
Для этого используются защитные пленки, герметизирующие материалы, стекло или многослойные барьерные структуры.
После этого отдельные элементы можно объединять в более крупный модуль.
Где используется именно 3D-печать
Несмотря на то что фотоактивный слой создается специализированными методами, классическая 3D-печать способна значительно ускорить проектирование солнечных устройств.
Корпуса для автономной электроники
Солнечные панели используются в датчиках, системах мониторинга, переносной электронике и других устройствах.
Для нового изделия может понадобиться индивидуальный пластиковый корпус с местом для:
- солнечного элемента;
- аккумулятора;
- контроллера;
- разъемов;
- платы;
- крепежа;
- герметизирующих компонентов.
Напечатанный прототип позволяет проверить компоновку устройства до запуска серийного производства.
Рамки и держатели
Стандартная металлическая рамка подходит далеко не каждому экспериментальному модулю.
3D-печать дает возможность изготовить рамку под конкретные размеры панели, создать технологические отверстия, направляющие, защелки или посадочные места.
Крепления солнечных модулей
Иногда необходимо установить небольшую панель на нестандартную поверхность.
Например, требуется адаптер для трубы, корпуса прибора, экспериментального стенда или элемента конструкции.
Вместо изготовления сложной детали традиционными методами сначала можно проверить решение на напечатанном прототипе.
Прототипы устройств
Аддитивное производство особенно эффективно на ранних стадиях разработки.
Инженер получает возможность быстро изменить модель и напечатать следующую версию. Не нужно сразу создавать дорогостоящую производственную оснастку.
Это удобно при разработке:
- автономных датчиков;
- уличной электроники;
- систем мониторинга;
- солнечных зарядных устройств;
- элементов умного дома;
- экспериментального оборудования;
- устройств для энергетических исследований.
Можно ли печатать токопроводящими материалами
В аддитивном производстве существуют материалы с электропроводящими наполнителями. Они позволяют создавать детали, обладающие определенной электрической проводимостью.
Однако важно понимать ограничения.
Токопроводящий пластик для FDM-принтера обычно нельзя считать полноценной заменой металлической проводки или специализированного электрода солнечного элемента. Его свойства зависят от состава материала, ориентации слоев, толщины детали и параметров печати.
Поэтому такие материалы чаще представляют интерес для экспериментов, антистатических компонентов, сенсорных систем и отдельных функциональных элементов.
Для силовых электрических соединений необходимо выбирать материалы и технологии с учетом реальных требований к сопротивлению, нагреву и допустимой нагрузке.
Почему печатные солнечные элементы интересны промышленности
Главная привлекательность технологии заключается не просто в необычном способе изготовления.
Печатные методы потенциально меняют сам подход к производству фотоэлектрических устройств.
Возможность работы с гибкими основаниями
Жесткая стеклянная панель подходит не для каждого применения.
Гибкий фотоэлектрический слой можно интегрировать в поверхности сложной формы, легкие конструкции и различные элементы изделий.
Автоматизация производства
Если функциональные слои удается наносить последовательными промышленными операциями, производство можно организовать в виде непрерывной технологической линии.
Особенно перспективен в этом отношении roll-to-roll подход.
Оптимизация использования материалов
Печать позволяет наносить функциональный состав именно в необходимой зоне.
Это создает возможности для более рационального использования некоторых дорогостоящих материалов и уменьшения количества лишних технологических операций.
Новые форм-факторы
Традиционная солнечная батарея обычно ассоциируется с прямоугольной жесткой панелью.
Печатные технологии открывают больше возможностей для создания элементов других размеров, форм и степени гибкости.
Фотоэлектрические поверхности в перспективе могут интегрироваться непосредственно в изделия, а не существовать только в виде отдельного внешнего модуля.
Какие сложности пока существуют
Несмотря на перспективы, напечатать лабораторный фотоэлемент и наладить стабильный промышленный выпуск долговечной продукции совершенно не одно и то же.
Стабильность характеристик
Фотоэлемент должен сохранять свои свойства в течение длительной эксплуатации.
Материал подвергается воздействию:
- солнечного излучения;
- температуры;
- влажности;
- кислорода;
- механических нагрузок;
- циклов нагрева и охлаждения.
Поэтому большая эффективность экспериментального элемента сама по себе еще не означает готовность технологии к массовому рынку.
Равномерность покрытия
При увеличении площади изделия становится сложнее обеспечить одинаковые параметры каждого участка.
Даже небольшой дефект функционального слоя может повлиять на работу устройства.
Герметизация
Некоторые перспективные фотоэлектрические материалы чувствительны к окружающей среде.
Это повышает требования к защитным покрытиям, герметизации и конструкции модуля.
Масштабирование
Технология, успешно работающая на небольшом лабораторном образце, должна быть адаптирована к высокой скорости промышленного оборудования.
При этом необходимо сохранить точность толщины слоев, структуру материала и воспроизводимость характеристик.
Именно масштабирование, стабильность и долговечность остаются важнейшими направлениями развития новых фотоэлектрических технологий. Министерство энергетики США также относит повышение надежности и создание масштабируемых производственных процессов к ключевым задачам коммерциализации перовскитной фотовольтаики.
Можно ли самостоятельно напечатать солнечную батарею
В домашних условиях можно собрать небольшую солнечную систему из готовых фотоэлектрических элементов и самостоятельно изготовленных деталей.
Например, на 3D-принтере реально сделать:
- корпус;
- рамку;
- регулируемое крепление;
- крышку;
- кабельные фиксаторы;
- держатель электроники;
- адаптер для установки панели.
Но изготовление самого эффективного фотоэлектрического элемента требует соответствующих материалов, оборудования, контроля нанесения слоев и соблюдения технологических процессов.
Поэтому для большинства практических проектов разумнее использовать готовый фотоэлектрический модуль, а 3D-печать применять для адаптации устройства под конкретную задачу.
Такой подход значительно проще, безопаснее и быстрее.
От прототипа к серийному производству
Еще одна интересная область применения аддитивных технологий связана с подготовкой нового солнечного устройства к серии.
Представим компанию, которая разрабатывает автономный уличный датчик с небольшой солнечной панелью.
Сначала создается электронная схема и подбирается фотоэлектрический модуль. Затем проектируется корпус. На этой стадии сразу заказывать пресс-форму для массового производства невыгодно, поскольку конструкция еще может измениться.
Проще напечатать несколько вариантов корпуса и проверить:
- удобство сборки;
- положение солнечной панели;
- расположение электроники;
- доступ к разъемам;
- способы крепления;
- размеры изделия;
- внешний вид.
После испытаний конструкция корректируется.
Когда геометрия окончательно утверждена и возникает потребность в значительном количестве одинаковых пластиковых деталей, можно рассматривать переход к серийному литью пластика.
Таким образом, 3D-печать и литье не конкурируют друг с другом. Эти технологии способны последовательно использоваться в жизненном цикле одного изделия: аддитивное производство помогает быстро отработать конструкцию, а литье подходит для выпуска больших партий при соответствующей экономике проекта.
Как 3DROOM может участвовать в разработке солнечных устройств
Разработка оборудования с солнечным питанием часто требует не только электроники, но и индивидуальных пластиковых компонентов.
В рамках проекта могут понадобиться:
- прототипы корпусов;
- защитные кожухи;
- рамки;
- держатели;
- монтажные адаптеры;
- элементы крепления;
- декоративные панели;
- технологические детали;
- мастер-модели;
- небольшие партии пластиковых компонентов.
Компания 3DROOM специализируется на услугах 3D-печати и производстве пластиковых изделий методом литья. Такой набор технологий позволяет решать задачи как на этапе разработки и проверки конструкции, так и при подготовке изделия к дальнейшему производству.
Если проект только создается, 3D-печать помогает получить физический прототип без необходимости сразу вкладываться в дорогостоящую оснастку.
После испытаний модель можно доработать, изменить размеры или расположение элементов. Для изделий, которые планируется выпускать серийно, следующим этапом может стать подбор подходящей технологии производства пластиковых компонентов.
Будущее печати солнечных батарей
Вероятнее всего, развитие фотоэлектрики будет происходить сразу по нескольким направлениям.
Кремниевые солнечные модули продолжат использоваться в энергетике, параллельно будут совершенствоваться тандемные, органические и перовскитные технологии. Исследования уже охватывают рулонное нанесение, печатную металлизацию и другие способы масштабирования производства фотоэлементов.
Отдельное направление связано с интеграцией солнечных элементов непосредственно в изделия.
Вместо схемы "устройство плюс отдельная панель" инженеры стремятся создавать конструкции, где источник энергии становится частью поверхности продукта.
Это может быть особенно интересно для автономной электроники, транспорта, архитектурных элементов, датчиков и устройств интернета вещей.
Аддитивное производство будет играть собственную роль в этом процессе. Оно позволяет создавать корпусные детали сложной формы, экспериментировать с конструкцией и быстро проверять новые идеи.
Печать солнечных батарей и персонализация изделий
Еще одно преимущество цифрового производства заключается в возможности создавать изделия под конкретную задачу.
Допустим, требуется установить солнечный элемент на нестандартное оборудование. Универсального крепления на рынке может не существовать.
Традиционный подход потребует ручной доработки существующей детали или изготовления специальной оснастки.
При использовании 3D-печати процесс выглядит иначе:
- снимаются размеры оборудования и солнечной панели;
- проектируется цифровая модель;
- определяется положение креплений;
- создается прототип;
- выполняется примерка;
- при необходимости модель корректируется;
- печатается окончательная версия.
Такая схема особенно удобна для единичных изделий, испытательных установок и небольших серий.
Что учитывать при проектировании корпуса солнечного устройства
Если солнечный модуль используется на улице, корпус нельзя проектировать исключительно исходя из внешнего вида.
Необходимо учитывать реальные условия эксплуатации.
Важными параметрами становятся:
- температура окружающей среды;
- воздействие ультрафиолета;
- возможный контакт с водой;
- механическая нагрузка;
- способ крепления;
- нагрев электроники;
- положение относительно солнца;
- обслуживание и замена компонентов.
Не каждый материал для 3D-печати одинаково хорошо подходит для продолжительной эксплуатации на открытом воздухе.
Поэтому материал детали выбирается с учетом условий конкретного проекта, а не только стоимости изготовления.
Кроме того, напечатанный прототип не всегда должен полностью соответствовать материалу будущего серийного корпуса. Иногда его задача состоит именно в проверке геометрии, компоновки и удобства сборки.
Когда использовать 3D-печать, а когда литье пластика
Выбор технологии зависит от стадии проекта и необходимого количества деталей.
3D-печать особенно удобна, когда:
- требуется один прототип;
- необходимо проверить несколько вариантов;
- конструкция постоянно изменяется;
- изделие имеет сложную геометрию;
- нужна небольшая партия;
- необходимо быстро проверить идею.
Литье пластика имеет смысл рассматривать, когда конструкция уже утверждена и предполагается регулярное производство большого количества одинаковых деталей.
Именно поэтому при разработке нового оборудования нередко сначала используется аддитивное изготовление, а после завершения испытаний выполняется подготовка к серийному выпуску.
Заключение
Современная печать солнечных батарей представляет собой перспективное направление на пересечении материаловедения, электроники и промышленного производства. Функциональные слои некоторых видов фотоэлектрических элементов действительно могут наноситься печатными методами. Особенно большое внимание уделяется органическим и перовскитным технологиям, а также развитию рулонных процессов.
При этом 3D-печать солнечных батарей не означает, что готовую панель сегодня можно целиком изготовить из пластика на обычном настольном принтере. Классическая 3D-печать решает другую, но не менее полезную задачу: помогает производить корпуса, рамки, крепления, адаптеры, экспериментальные детали и прототипы устройств, использующих солнечную энергию.
По мере развития печатных солнечных элементов граница между электроникой, энергетикой и цифровым производством будет становиться все менее заметной. Новые способы нанесения функциональных материалов способны изменить производство солнечных панелей, а аддитивные технологии помогут быстрее проектировать изделия, в которые эти источники энергии будут интегрированы.
Для компаний, разрабатывающих собственное оборудование с солнечным питанием, 3D-печать уже сегодня дает практическое преимущество: возможность быстро перейти от цифровой модели к физическому прототипу, проверить конструкцию и подготовить ее к дальнейшему производству.
