通过3D打印推动可再生能源转型：太阳能
根据 BP 最新的《世界能源统计评论》，太阳能在 2020 年创下有史以来最大增幅，与风能一起占整个可再生能源行业全年增长的 90% 以上。这一增长也反映在该行业不断上升的市场价值上，预计 2022 年全球太阳能市场价值将达到 4220 亿美元，而 2015 年仅为 860 亿美元。
T3DP 更大太阳能电池板的六边形部分。图片来自 T3DP。
太阳在太阳能 3D 打印上升起
太阳能仍然是仅次于水电和陆上风能的第三大可再生电力技术，与 2019 年相比，2020 年的发电量增长了创纪录的 23%。虽然该技术的优点包括帮助人们节省开支并实现能源独立，但也有一些警告，例如高昂的前期成本、大空间要求以及制造光伏板对环境的影响。事实上，生产一块硅太阳能电池板需要 130 升石油，预计到 2050 年，将有 7800 万吨有毒太阳能电池板废料最终进入垃圾填埋场。几年前，在美国能源部等机构发起的各种太阳能创新竞赛的推动下，增材制造领域围绕 3D 打印更高效、低成本的光伏发电展开了一系列活动。然而，从那时起，该领域似乎有所放缓。
不过，最近，这一领域的活动似乎重新抬头，德国埃尔兰根大学的薄膜材料化学 (CTFM) 实验室宣布欧洲研究委员会 (ERC) 资助快速原型太阳能使用其原子层增材制造技术的电池。该实验室希望在 Formnext Start-up Challenge 2021 获胜者、原子层 3D 打印机开发商 ATLANT 3D Nanosystems 的帮助下将太阳能电池推向市场。
一家在该领域一直非常活跃的公司是由 Clark 创立的加州初创公司 T3DP，该公司自 2019 年以来一直在应用其专利的体积 3D 打印技术来制造基于钙钛矿的太阳能电池板。
受自然启发的3D打印
从昆虫眼睛的蜂窝结构中汲取灵感，T3DP 设计了一种新型太阳能电池，能够以传统硅基电池的一半成本捕获三倍的能量。该工艺还允许通过重新使用废弃太阳能电池板的玻璃制造接近碳中性的微型太阳能电池。“体积 3D 打印有可能通过将功率输出提高到平板硅板的两到三倍来彻底改变太阳能行业，”克拉克说。 “一个典型的平板太阳能电池板每平方米可产生 200 瓦的功率，而我们的设计在相同区域内可达到 400-600 瓦。”体积 3D 打印是一种能够克服与增材制造相关的低吞吐量、几何限制、结构缺陷和缩放问题的过程，方法是一步固化物体，而不是逐层固化。
Clark 与南卫理公会大学 (SMU) 化学副教授 Alexander Lippert 的团队合作，开发并商业化了一种独特的体积 3D 打印机，称为 3D Light PAD，专为各种复杂组件的 3D 打印而设计用于太阳能电池制造。
该打印机通过使用可光切换的光引发剂将聚合作用引导到仅在两种不同波长光的交叉点处进行操作，从而创建高分辨率 3D 组件。 T3DP 与 AsterTech 建立了战略合作伙伴关系，该公司与空军研究实验室 (AFRL) 一起开发了一种气溶胶喷射辅助钙钛矿沉积方法，用于在 SMU 和 Clark 使用其 3D Light 生产的复杂表面上制造高质量太阳能电池PAD 打印机。
由回收的太阳能电池板玻璃制成的部件，具有 50 微米厚的柔性壁。图片来自丹尼尔克拉克。
Clark 的立体 3D 打印专利经过四年的申请程序于去年获得授权，该 IP 现在被立体 3D 打印初创公司 xolo 使用。虽然由于与 xolo 签订了保密协议 (NDA)，Clark 目前还没有可以公开谈论的实际应用场景，但他说：“虽然体积 3D 打印技术很棒，但距离它还有两到三年的时间。在我们将看到任何主要的主流应用程序之前。然而，这台打印机是我新的 Subzero 成型和压花技术的滩头阵地，它可以用回收的太阳能电池板玻璃扩大我们的微型 3D 太阳能电池基板的制造规模。“我们有一些专利的延续，其中包括来自 LIGHTFIELD LABS 的固体光的新的真实体积显示器。”Lightfield Labs 正在开发下一代全息显示技术，并得到了跨国技术公司 Bosch 等公司的支持，Clark 表示，该公司将对 LightPAD 3D 打印机及其未来的未决专利感兴趣。
Clark 的计划是制造 3D 太阳能玻璃基板，将它们变成 3D 太阳能电池，然后将它们连接起来并封装在 3D 太阳能模块中，类似于图中的啤酒盖桌。图片来自克拉克。
利用下一代先进制造扩大太阳能
Clark 的 Sub Zero 制造技术旨在使用不需要后处理或抛光的回收太阳能电池板玻璃批量生产柔性光学光滑太阳能电池基板。该过程包括将粉碎的回收玻璃与 Glassomer UV 固化树脂和 Tethon 3D Genesis Development Resin 混合，并将材料“冲压”成印有超小型微型 LED 的 3D 尖刺金字塔形状。据中国3D打印网了解，该技术比单独的 3D 打印“快数千倍”，克拉克认为该技术也可以有效地应用于半导体行业，以改善其绿色足迹。关于太阳能发电领域的现状，Clark 表示：“目前的硅太阳能行业由中国主导和控制。去年 10 月，硅的价格在 7-8 周内上涨了 300%。随着这种趋势继续向上，我看到西方世界有机会通过先进制造难以伪造的美观太阳能重新点燃熄灭的火焰。“我预见到我们先进的一步式体积 3D 打印和独特的 SUBZERO 成型工艺将创造一个协同的二分法，以平衡太阳能制造力量回到欧盟、美国和西方世界。”
克拉克低于零制造技术的烙印。照片来自丹尼尔·克拉克。
克拉克还为 Villara 能源系统公司工作，该公司是 VillaGrid 储能系统的开发商，该系统声称比传统的家用电池提供更多的电力、更安全和更长的使用寿命。虽然该公司尚未使用克拉克的体积 3D 打印技术，但他表示，有可能有一天该工艺可以帮助该公司位于加利福尼亚州萨克拉门托县的电池和太阳能制造工厂大规模制造电池和太阳能电池。
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