【分析】太陽光発電分野における3Dプリント技術の応用展望の分析

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-6-22 16:00 に最後に編集されました。

エネルギーは人類社会の存在と発展にとって重要な物質的基盤です。社会の発展に伴い、石炭や石油などの再生不可能な資源はますます不足しており、クリーンエネルギーの開発が差し迫っています。太陽エネルギーは地球上で最も豊富なエネルギー源として大きな注目を集めています。現在、太陽電池は、無限かつクリーンな太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、人々が太陽エネルギーを利用するための重要な手段となっています。中でも、3Dプリント電極技術は、金属材料の利用率が高く、プロセスが簡単で、薄膜電池に適しており、電池製造コストを大幅に削減できるため、業界でますます注目を集めています。

1. 結晶シリコン太陽電池技術の進歩太陽光発電産業は過去 10 年間で 40% 以上の成長率を示し、世界で最も急速に成長する新興産業の 1 つになりました。2013 年、世界の総設置容量は 38.4GW に達しました。不完全な統計によれば、現在、我が国には新興の太陽エネルギー技術の研究、開発、生産、応用に携わっている企業が 1,000 社以上あります。 2008年以来、わが国は世界最大の太陽電池生産国となり、太陽電池の生産量は5年連続で世界第1位となっています。

現在の太陽光発電市場では、結晶シリコン太陽電池が主流であり、市場シェアは 85% を超え、商業最大効率は 22% を超えています。今後 10 年間は結晶シリコン太陽電池が引き続き主流になると予想されます。太陽光発電産業の発展に伴い、結晶シリコン太陽電池技術は急速に発展しています。図1は近年の結晶シリコン太陽電池技術の開発ロードマップです。図からわかるように、結晶シリコン太陽電池技術は主に2つの方向に集中しています。1つ目は、既存のバッテリー構造とプロセスに基づいて、1つまたは複数のプロセスに新しい製造プロセス（最適化された表面パッシベーション技術、選択的エミッター技術、最適化された表面テクスチャリング技術、ポイントコンタクト技術、3Dプリント電極技術など）を導入し、バッテリー変換効率を向上させることです。

2つ目は、既存のバッテリー構造、プロセスフロー、または材料（HITバッテリーや価電子結合飽和太陽電池など）を変更して、バッテリー変換効率を向上させることです。中でも、3Dプリント電極技術は、金属材料の利用率が高く、プロセスが簡単で、薄膜電池に適しており、電池製造コストを大幅に削減できるため、業界でますます注目を集めています。

2. 太陽光発電における3Dプリント電極技術 分野における応用状況現在、3Dプリント電極の研究を行っている海外の研究機関としては、イスラエルのXjet、ドイツのFraunhofer ISE Institute、Schimid、Q-cell、米国のNERL研究所、韓国の機械材料研究所などがあり、現在3Dプリント技術を行っている国内メーカーとしては、上海神州新能源有限公司、江蘇省海潤光電技術有限公司、保定英利グリーンエネルギーホールディングス有限公司などがあり、詳細は表1を参照。

上記の研究機関のうち、江蘇省海潤光電科技有限公司を除く他の機関が採用している 3D プリント技術は、依然として 3D プリントのシード層に電気メッキを加えて電極を形成する方法です。電気メッキを使用すると、ゲートラインの幅と粗さが増大し、銀材料の利用率が低下し、生産コストが高くなり、環境汚染も発生します。この 3D 印刷技術は、「第 1 世代の 3D 印刷技術」と定義されています。

「第2世代3Dプリント技術」は完全な3Dプリント方式を採用し、ゲート電極をワンステップで3Dプリントすることで、製造工程を簡素化するだけでなく、バッテリーの変換効率の向上、製造コストの削減、精緻な生産の実現にも役立ちます。また、3Dプリンティング技術は結晶シリコン太陽電池だけでなく、薄膜電池にも応用できます。例えば、米国オレゴン州立大学の研究者は、3Dプリント技術を使用して銅インジウムガリウムセレン（CIGS）薄膜太陽電池の製造に成功し、原材料を90％節約しました。マサチューセッツ工科大学 (MIT) は、特殊な 3D プリンターを使用して、薄膜太陽電池を紙に印刷しています。このタイプのセルの現在のセル効率は 1.5% ～ 2% です。

3. 3Dプリント電極技術の分析

1. ナノ銀インクの調製 3Dプリント技術では、特殊なナノ銀インクが必要です。このインクに含まれる銀粒子の最大直径は、ブリッジや詰まりを避けるために、ノズル直径の1/10未満でなければなりません。ノズルの形状や操作回数などの要素を考慮すると、この比率は実際にはもっと小さくなければなりません。従来のミクロンレベルの導電性ペーストでは、この要件を満たすことができません。ナノ銀インクに含まれる（分散された）金属粒子のサイズグレードは約 1nm であるため、従来のフロント銀ペーストよりも調製が困難です。

図2はナノ銀インクの製造原理を示しています。酢酸銀を用いて湿式化学法により平均粒子径3nmのナノ銀を調製し、その後ガラス相と有機溶媒を一定の割合で混合して、最終的に独自のナノ銀インクを調製しました。そのうち、有機溶剤は20種類以上の材料で構成されており、銀粒子を凝集せずに均一に分散させ、3Dプリントの品質を確保し、プリンターヘッドの優れた性能も確保します。現在、ナノ銀インクの研究と生産は、韓国のANP、ABC Nano Tech、InkTec、日本のULVAC、住友化学（SEI）、イスラエルのPVN、Xjet、米国のANI、Nanodynamics、PCima Nanotech、Ferro、Innovalight、ドイツのBayer Corporationなど、いくつかの先進国に主に集中しており、その他多くの有名企業があります。しかし、我が国のこの分野の研究はまだ始まったばかりであり、独立した知的財産権を持つ製品はまだありません。

2.3Dプリント技術の原理 図３は３Ｄプリント装置の外観図、図４は３Ｄプリントの動作原理図である。ナノ銀インクは、プリンターヘッドの小さな穴を通してバッテリー表面に噴霧されます。各プリンターヘッドには 200 個以上の小さな穴があり、穴が詰まった場合は交換用の部品が十分に用意されています。印刷プロセス中、小さな穴は層ごとに液滴の噴出を制御し、各小さな穴は異なる材料の噴出を制御できます。印刷装置には真空吸引カップが装備されており、ロボットによってシリコンウェハーが真空吸引カップ上に置かれ、吸引されます。シリコンウェハーがレーザーによって位置決めされた後、印刷できます。6 つのヘッドが一度に 6 本の微細グリッド線を印刷します (図 5)。すべての微細グリッド線が交互に印刷された後、90° 回転してカメラで監視し、メイングリッド線を印刷します (図 6)。最後に、250°C で加熱して印刷プロセスを完了します。

プロセス全体はプログラムによって監視されており、マシンヘッドに問題がある場合は、プログラムによって自動的にマシンヘッドが交換されます。さらに、従来のスクリーン印刷で使用される銀ペーストは、ガラス相と銀が完全に混合されています。ガラス粒子のサイズが不均一であるため、焼結プロセス中にガラス材料が不均一な速度で下降します。焼結温度が高すぎると、構造内のN層が焼き切れてしまいます。温度が低すぎると、シリコン窒化物層が焼き切れず、良好なオーム接触を形成できません。 3Dプリント技術は、上記の可能性を回避します。まず、シリコンウェーハ上にガラス材料と少量の銀を豊富に含むインクの層を印刷し、次に銀を豊富に含むインクの層を印刷します。これは2層で印刷されます。このようにして、ガラス材料は下層に集中します。焼結プロセス中、ガラス材料の下降速度にばらつきがなく、その後の焼結温度を効果的に下げることができます。

3.技術的優位性の分析 現在、市販されている結晶シリコン太陽電池の 90% 以上は、従来のスクリーン印刷技術を使用してグリッド電極を形成しています。しかし、スクリーン印刷技術の精度と電極材料の銀ペーストの制限により、印刷された微細グリッドのアスペクト比を向上させることが難しく、これが結晶シリコンセルのコスト削減と効率向上を制限する主な障害の 1 つとなっています。 3D プリント技術は、新しいタイプの電極金属化技術です。非接触電極製造方法として、以下の利点があります。
①金属材料の利用率が高く、工程が簡単で、形状や傾斜を制御できます。
②スクリーン印刷に比べて、より細かいグリッド線（<40μm）が得られ、解像度はスクリーン印刷の3〜10倍、速度はスクリーン印刷の3倍です。
③ 非接触処理の特徴により、3Dプリントプロセスは薄膜電池やフレキシブル電池の電極の製造に適しています。
④ 3Dプリントで使用されるナノ銀インク粒子は、スクリーン印刷ペーストで使用される金属粒子よりも小さいため、より良好なオーム接触を形成しやすくなります。
⑤ 多種多様な金属材料を混合でき、各層の材料を正確に重ね合わせることができるため、銀の消費量を 50% 削減でき、卑金属電極の実現にも役立ちます。要約すると、非接触電極を作成する方法として、3D プリント電極にはスクリーン印刷よりも明らかな利点があります。 3D プリントは新世代の金属化技術として、必然的に従来のスクリーン印刷に取って代わり、太陽光発電産業の工業化技術の向上を促進します。

4. 3Dプリンティング技術の将来的応用展望の分析
1. 太陽電池の変換効率を向上させることができます 太陽電池の前面のグリッド電極が薄いほど、電極の影による光損失は小さくなります。スクリーン印刷の精度の制限により、スクリーン印刷のグリッド線の幅には一定の制限があり、そうでないと重大なグリッド破損が発生します。現在、ゲートラインの設計幅は35〜45μmで、焼結後のゲートラインの幅は約60〜70μmとなり、限界値に近づいています。ゲートラインのアスペクト比を大きくすることは非常に困難です。同時に、印刷されたゲートラインの均一性が低く、印刷されたノードが多いという欠点により、結晶シリコンセルのコスト削減と効率向上の大きな障害となっています。高効率電池の研究では、微細なゲート電極を作製するためにフォトリソグラフィー法や蒸着法がよく用いられますが、工程が複雑で製造コストが非常に高いため、工業化を実現することは不可能です。 3D印刷技術は、シリコンウェーハ上に3Dフロントゲートラインパターンを正確に直接印刷するために使用できます。微細ゲート幅は40μm以下に縮小でき、電極の高さは設計要件に応じて不均一に分散できます。プロセスはシンプルで、精度は高くなります。さらに、異なる材料を層状に印刷して電極の異なる機能層を形成することも可能で、高アスペクト比の形成、オーム接触の改善、電流強度と溶接性能の向上に役立ちます。従来の印刷構造と 3D 印刷構造の比較を図 7 に示します。

2. 太陽電池の生産コストを削減できる 従来の結晶シリコン太陽電池の銀電極材料のコストは、太陽電池の非シリコンコストの約半分を占めています。そのため、銀電極材料の使用量を減らし、貴金属の銀を卑金属に置き換えることが、太陽電池の製造コストを削減する鍵となります。控えめな見積もりによると、3D プリント専用のナノ銀インクを使用すると、銀電極の消費量を 50% 以上節約できます。電極材料のベースメタル化が実現できれば、電極材料のコストを少なくとも70％削減でき、太陽電池のコストは0.3～0.5元/W低下する。

3.3Dプリント電極材料は、高抵抗エミッターと完璧に組み合わせることができます。 シート抵抗が高いほど、セルは短波によく反応し、生成される電流密度が大きくなります。現在、従来の電池の平方抵抗は 80 ～ 90Ω/□ に達します。既存の銀ペースト材料では、平方抵抗がこれより高い場合、エミッターと良好なオーム接触を形成することが困難です。ナノ銀インク材料は、低ドープ表面（シート抵抗が 120Ω/□ に達する場合など）上で良好なオーミック接触を形成でき、パッシベーションプロセスと組み合わせることで、バッテリー効率は 20% 以上に達することができます。

4. さまざまな新しい太陽電池技術に幅広く応用可能 バックパッシベーション太陽電池、両面太陽電池、バックジャンクションおよびバックコンタクトセルなどの新しいバッテリー技術の開発により、太陽電池の製造方法は革命的な変化を遂げます。将来、結晶シリコン太陽電池は、より高い効率、より薄いシリコンウェーハ、およびより低いコストに向かって発展します。 3Dプリンティング技術は高効率バッテリー製造と完璧に組み合わせることができ、高効率バッテリーの準備プロセスを簡素化し、低コストで高効率なバッテリーの産業アップグレードを加速します。

まとめると、3D 印刷技術は、高解像度と優れた導電性を備えたグリッドラインを印刷できるだけでなく、生産コストを削減できます。高平方抵抗エミッターと完璧に組み合わせて、さまざまな新しい太陽電池技術に適用できます。国内外でこの技術の開発が盛んに研究され、普及に応用されています。そのため、太陽電池の製造プロセスに3Dプリント技術を適用することは一般的なトレンドになるでしょう。この技術は、太陽電池の品質と効率の大幅な向上ももたらすでしょう。

編集者：Antarctic Bear テキスト/Zhang Yuancheng、Wu Xinzheng、Zheng Jianhua、Ao Yiwei 上海太陽エネルギー工程技術研究センター株式会社

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