在發(fā)電領(lǐng)域,銅通常作為將電從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的管道,比如發(fā)電廠的熱交換器。目前的研究則正在嘗試使銅在光伏發(fā)電系統(tǒng)里發(fā)揮價值。
今年6月,紐約州能源研究和發(fā)展管理局(NYSERDA)獎勵了88.7萬美金給Intrinsiq 材料公司--一家致力于研究納米級可印刷電子油墨的開發(fā)商,以幫助該公司將銅應(yīng)用在太陽電池上的研究并將其商業(yè)化。
Intrinsiq 材料公司的工廠位于英國的法恩伯勒和紐約州的羅切斯特,在研發(fā)納米基銅油墨配方,用于電子印刷和光伏組件等方面。該公司的銅噴墨和銅漿絲網(wǎng)印刷是專門設(shè)計的,通過激光或?qū)拵чW光技術(shù)在空氣和室溫條件下固化光子。Intrinsiq公司宣稱其在某些基底上,其銅基材料的電導(dǎo)率堪與商業(yè)銀油墨媲美。公司還有其他正在研發(fā)的產(chǎn)品,包括鎳基和硅基的油墨。
該公司繼承了英國國防部針對電路板和其他應(yīng)用的可印刷銅油墨的研究。Intrinsiq公司已經(jīng)在羅切斯特成立新的獨立總部,在眾多應(yīng)用中尋求發(fā)展半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)。
目前這家美國公司有8名員工,但由于這項研究的進行,有望再創(chuàng)造25個新職位。
紐約州能源研究和發(fā)展管理局獎勵條款規(guī)定:如果產(chǎn)品研發(fā)成功,Intrinsiq公司就要返還補貼。Intrinsiq公司也從私人投資者處獲得了相應(yīng)的資金。9月份,Intrinsiq材料公司從卡尤加創(chuàng)業(yè)基金獲得了410萬美元,繼續(xù)其納米級導(dǎo)電油墨技術(shù)的研究、發(fā)展和商業(yè)化。
在聯(lián)邦政府和州政府的援助基金幫助下,羅切斯特也在紐約州立大學(xué)的納米科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)立了“光伏制造和科技發(fā)展基金”,目的就是使紐約州成為發(fā)展光伏制造業(yè)的中心,而銅基材料則可以成為重要并且與眾不同的角色。
尋找銀的替代品
在太陽電池制造業(yè)中,最常見的導(dǎo)電材料就是銀了,其價格約為銅的70倍有余。據(jù)紐約州能源研究和發(fā)展管理局介紹,Intrinsiq公司的技術(shù)有潛力可顯著降低光伏制造成本,從而降低消費者的太陽能發(fā)電成本。
“每次在行業(yè)會議上聊起各家光伏企業(yè)時,似乎大多數(shù)都用的是銀漿,這是相當(dāng)高成本的,” Intrinsiq材料公司副總裁兼COO Sujatha Ramanujan說到。“銅的導(dǎo)電性非常好且價格更低廉。所以我們看看為什么大家使用銀,如果看看光伏產(chǎn)業(yè)就會發(fā)現(xiàn)首要問題--銅的效果不好。在標(biāo)準(zhǔn)配方中,銅易被氧化,會降低導(dǎo)電性。而我們的油墨新穎之處就是它導(dǎo)電率高且可沉積。在這個過程中,我們規(guī)避了光伏金屬化中最大的風(fēng)險。”
沉積并不是光伏制造業(yè)里的新工藝。根據(jù)勒克斯研究,相對于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷,沉積工具可減少銀的用量達30%,提高絕對轉(zhuǎn)換效率達0.3-0.5%。然而,在過去十年間,銀價上漲了6倍,迫使光伏制造商盡量減少了銀用量。勒克斯研究表明,由于銅的低成本和在電子工業(yè)尤其是半導(dǎo)體制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用,它正成為取代銀的領(lǐng)先競爭者。然而,由于其性能和耐久性的原因,銅基配方中的限制尚未達到其鼎盛時期。
創(chuàng)造新配方
Intrinsiq公司的技術(shù)是使用一種惰氧、高導(dǎo)和可印刷銅,并且不需要在傳統(tǒng)烘箱中烘烤。Intrinsiq公司材料設(shè)計工藝創(chuàng)造了包覆顆粒以期控制來自外部基底的相容性、顆?;瘜W(xué)性和防腐性。純納米級金屬顆粒包覆了專有涂層以防止氣體腐蝕。該公司表示,涂層可使顆粒有效分散在油墨中,使印刷過程相對簡單。屏幕膠由微米銅和納米銅混合而成,粘合劑也在流變性和粘附性方面進行了優(yōu)化。
噴墨油墨和屏幕膠可以有效地在各種基底上印刷。用噴墨塊銅的光子固化技術(shù)可以使電阻值增加近5倍,屏幕膠的激光固化是電阻率提升了4倍--盡管該公司承認(rèn),寬帶固化性能仍有待提高。公司報告稱,這樣的結(jié)果是在英國范堡羅實驗室,通過激光燒結(jié)在玻璃上絲網(wǎng)印刷圖像得到的。
塊銅的電阻率計算如下:
將燒結(jié)條印刷在玻璃上并燒結(jié)
用接觸輪廓確定燒結(jié)條的寬度和高度
l電阻率=電阻×截面積/長度
塊銅電阻率=1.68×10-6Ω·cm
塊銅系數(shù)=電阻率/塊銅電阻率
Intrinsiq公司的銅基油墨電阻性能計算如下:
噴墨計算
尺寸:寬1050μ×高1.25μ×長95mm
PEL噴墨打印紙電阻=10Ω
電阻率=1.38×10-5Ω·cm
塊銅系數(shù)=8.2×塊銅電阻率
絲網(wǎng)印刷計算
尺寸:寬958μ×高34.2μ×長48mm
HP宣傳紙電阻=0.8Ω
電阻率=5.46×10-5Ω·cm
塊銅系數(shù)=32.5×塊銅電阻率
實際應(yīng)用的銅
Ramanujan介紹說Intrinsiq公司的銅油墨和銅漿的配方、沉積和固化工藝很完善,現(xiàn)已在其他方面有所應(yīng)用。大多數(shù)公司目前的研發(fā)工作都是將其集成到現(xiàn)有的光伏制造工藝上。
“技巧就在于將油墨應(yīng)用在目前光伏電池制造商已經(jīng)采用的工藝上,”她說。“你也不想重新顛覆整個工藝,只想融入其中。我們想的就是讓油墨和工藝相結(jié)合。”
目前,該公司正和一些不愿具名的光伏制造商合作,將銅配方和沉積系統(tǒng)整合到現(xiàn)有的生產(chǎn)線中。Ramanujan介紹說,紐約州能源研究和發(fā)展管理局允許Intrinsiq公司和光伏行業(yè)之外的公司合作,而公司也正在尋找其他行業(yè)的合作伙伴。
Ramanujan表示,就整合工藝而言,站在工廠的環(huán)境管理角度來看,技術(shù)化的沉積和固化工藝使管理更加方便。
光伏產(chǎn)業(yè)中普遍采用的典型減色工藝中使用了大量的有毒化學(xué)品,必須進行存儲、應(yīng)用然后處理。再減色工藝中,制造商必須使用金屬涂覆整個基底的表面,然后再用化學(xué)方法除去不需要的部分。
“這些都是有刺激性的化學(xué)品,對環(huán)境的破壞性非常大,”她補充到。“也很浪費,我們通過沉積避免腐蝕,盡量把將材料用在需要地方。”