石墨烯在光伏行业的潜在应用-solarbe文库

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石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用苏州腾晖光伏技术有限公司张树德博士 2019.06.04 内容石墨烯的发现；石墨烯的性质与制备方法；石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用；腾晖光伏在石墨烯的应用与开发；石墨烯在晶硅光伏行业中应用所面临的挑战。安德烈 · 海姆英国曼彻斯特大学 2004年，胶带反复粘贴高定向热解石墨，不断减薄，最终获得石墨烯 [1]。 [1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, et al., Science, 2004, 306, 666. 康斯坦丁 · 诺沃肖洛夫英国曼彻斯特大学 2010年获诺贝尔物理学奖石墨烯的发现石墨烯的性质与制备方法机械强度高抗拉强度 130 GPa 钢的 100倍载流子迁移率高 15000 cm2/Vs 比硅高一到两个数量级柔韧性优异比表面积大理论 2630 m2/g 与活性炭相当透光率高可见光 97.7 热导率高 5300 W/mK 铜的 13倍 sp2杂化碳原子构成的二维晶体石墨烯的性质与制备方法机械剥离法 [1] 表面外延生长法 [2] 氧化石墨还原法 [3] 化学气相沉积法 [4] 通过施加机械力，将石墨烯从石墨材料中剥离。 SiC晶体表面 Si原子在高温下升华， C 原子重构为石墨烯。通过氧化增大石墨层间距，超声分散后，还原为石墨烯。碳氢化合物在过渡金属催化作用下分解，沉积为石墨烯。亚毫米级尺寸厘米级尺寸亚毫米级尺寸分米级尺寸量产难度大适合小批量生产可大规模生产 ✔ 可大规模生产 ✔ 应用于光伏领域，需考虑量产。 [1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, et al., Science, 2004, 306, 666. [2] N. Camara, G. Rius, J.-R. Huntzinger, et al., Appl. Phys. Lett., 2008, 93, 123503. [3] S. Pei, H. Cheng, Carbon, 2012, 50, 3210. [4] X. Li, W. Cai, J. An, et al., Science, 2009, 324, 1312. 石墨烯的性质与制备方法 - 氧化石墨还原法 ① 用强氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，增大石墨层间距。 ② 超声处理，剥离石墨层，获得单层或少层氧化石墨烯。 ③ 用强还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯。 ① ② ③ [1] S. Pei, H. Cheng, Carbon, 2012, 50, 3210. 石墨烯粉末代表厂商宁波墨西、常州第六元素、上海新池石墨烯的性质与制备方法 - 化学气相沉积法 ① 铜箔作为沉积载体。 ② 1000度高温，甲烷在铜催化作用下分解，碳原子沉积在铜箔上。 ③ 碳原子铺满铜箔表面，形成单层石墨烯。 ① 石墨烯上旋涂 PMMA。 ② FeCl3溶液刻蚀掉铜箔。 ③ 在水中转移至所需衬底上。 ④有机溶剂溶解 PMMA。 [1] X. Li, W. Cai, J. An, et al., Science, 2009, 324, 1312. [2] W. Regan, N. Alem, B. Alemán, et al., Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 113102. [3] S. Bae, H. Kim, et al., Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 574. ➢ CVD沉积石墨烯 [1] ➢ 石墨烯的转移 [2,3] 石墨烯薄膜代表厂商重庆墨烯、常州二维碳素石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用金属化浆料玻璃镀膜支架防腐涂层石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于正面银浆石墨烯复合正面银浆 ✓ 降低串联电阻 ✓ 改善高宽比正泰新能源、西北大学西安晶晟光电开发石墨烯正银浆料。银粉玻璃粉有机载体石墨烯银浆石墨烯在银浆中的分散性和稳定性很难保证。研磨石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于正面银浆 [1] 西北大学，王惠，白晋涛，王憨英，马生华，发明专利 ZL201710158798.6。石墨烯包覆银粉玻璃粉有机载体氧化石墨烯银浆 [1] 研磨银粉还原石墨烯包覆银粉 ✓ 增强银粉分散性、导电性 ✓ 提高银粉颗粒间的接触 ✓ 增强润滑性 ✓ 提高银浆的印刷过网性石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 金属化浆料 ➢ 应用于背面铝浆 ① 铝浆添加石墨烯后，能改善电池翘曲。 ② 石墨烯包覆铝粉，增强铝粉分散性和导电性，改善铝层致密性，提高电池效率。江苏泓源光电开发石墨烯铝浆。硅铝收缩材料线性热膨胀系数硅 2.6 10-6 K-1 [1] 铝 22.2 10-6 K-1 [2] 石墨烯 -8.0 10-6 K-1 [3] [1] H. Watanabe, N. Yamada, M. Okaji, Int. J. Thermophys., 2004, 25, 221. [2] P. Hidnert, Thermal Expansion of Aluminum and Various Important Aluminum Alloys. [3] D. Yoon, Y.-W. Son, H. Cheong, Nano Lett. 2011, 11, 3227. 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 玻璃镀膜 ➢ 应用于玻璃镀膜 ✓ 石墨烯改善镀膜液中氧化硅颗粒的分散性稳定性，提高镀膜层的减反增透效果。 ✓ 石墨烯减小镀膜层表面电阻，消除静电积累，减小灰尘吸附。正信光电开发玻璃镀膜。玻璃表面有多孔氧化硅减反射镀膜玻璃表面积灰影响发电量石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架钢材支架的防腐性能不要改善，以减小后期防腐维护成本。 √ 石墨烯化学性质稳定，阻隔性能优异 [1]，有望应用于钢材的防腐涂层。支架类型铝合金钢材防腐性能一般采用阳极氧化 10-15μm；空气中自动形成保护膜，后期不需要防腐防护；防腐性能好一般采用热浸镀锌 65-80μm；后期需要防腐维护；防腐性能较差材料密度 2.71g/cm3 7.85g/cm3 机械强度钢材强度约为铝合金的 1.5倍支架成本铝合金支架成本为钢材支架的 1.3-1.5倍适用项目对承重有要求的家庭屋顶电站；对抗腐蚀性有要求的工业厂房屋顶电站强风地区、跨度比较大等对强度有要求的电站 [1] S. Böhm, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 741. 石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架金属活性表石墨烯包覆钢材 √ 石墨烯能够阻隔 H2O和 O2，实现防腐。石墨烯的结构缺陷和划伤处，钢材作为阳极腐蚀更为严重。 [1] [1] C. Cui, A.T.O. Lim, J. Huang, Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 834. √ 锌层若破损，钢材作为阴极被保护。锌包覆钢材石墨烯在晶硅光伏行业中的潜在应用 – 支架防腐涂层 ➢ 应用于光伏支架石墨烯复合防腐涂层 ① 石墨烯增强涂层对腐蚀性物质的阻隔能力。 ② 石墨烯增强锌颗粒与钢材的电学连接，延长锌对钢材的阴极保护时间。 [1] S. Zhou, Y. Wu, W. Zhao, et al., Mater. Design, 2019, 169, 107694. 宁波材料所石墨烯环氧富锌涂层钢材钢材钢材空气没有石墨烯添加石墨烯 ✓ 石墨烯显著增强环氧富锌涂层的防腐性能腾晖光伏在石墨烯的应用与开发 5BB 4BB MBB 3BB 2BB 约 2010年开始切换为 3BB 最初为 2BB 约 2013年开始切换为 4BB 约 2015年开始切换为 5BB 2017年推广 MBB 通过增加主栅数量，缩短副栅长度，减小串联电阻，提高电池效率。在晶硅电池表面沉积石墨烯，利用其透过率高、导电性好的优点，减小串联电阻。石墨烯注已申请专利 ➢ 晶硅电池 ➢ 石墨烯 -硅异质结电池 [1] C. Xie, X. Zhang, Y. Wu, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8567. [2] V.V. Brus, M.A. Gluba, X. Zhang, et al., Phys. Status Solidi A, 2014, 211, 843. [3] T. Cui, R. Lv, Z. Huang, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5736. [4] C. Xie, X. Zhang, K. Ruan, et al., J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 15348. P型掺杂能增大石墨烯电导率和功函数，提高电池效率。本征石墨烯 P型掺杂挥发性掺杂剂 HNO3, SOCl2, H2O2, HCl，电池稳定性差 [3]。 ✔AuCl3掺杂，电池稳定性较好 [4]。腾晖光伏在石墨烯的应用与开发甲基钝化优势 a 钝化效果优异 [1]。 b 单分子层，不影响载流子传输。 c 化学稳定性较好 [2]。甲基钝化一周后效率 6.78 ➢ 石墨烯镀膜玻璃 HAST高加速老化测试老化测试前石墨烯镀膜玻璃透过率在红外波段有优势。腾晖光伏在石墨烯的应用与开发老化测试后石墨烯镀膜玻璃透过率衰减小，可见光区域的透过率也更高。 ✓ 石墨烯镀膜玻璃能够提高光伏组件长期发电量增益。石墨烯在晶硅光伏行业中应用所面临的挑战 ① 如何制备出缺陷、杂质、层数可控、性能可控的高品质石墨烯 ② 如何实现石墨烯工业标准化生产 ③ 如何快速推进石墨烯在光伏领域的商品化应用 ④ 成本 Thanks a lot