CPV电池背接触集成冷却装置的工艺优化与性能评估：微通道冷却技术的新突破

为解决高聚光太阳能电池(CPV)因废热导致效率下降和寿命缩短的问题，研究人员通过将微通道集成到电池背接触金属层，开发了一种新型冷却装置。该研究采用计算流体动力学(CFD)和自主开发的ANSI C建模工具优化设计，最终实现0.32 K/W的局部热阻，在100倍聚光条件下仅产生11.5 K温升。这项技术突破了传统冷却方案的材料限制和界面热阻问题，为高效CPV系统提供了可靠的热管理方案。

　　

在可再生能源领域，聚光光伏(CPV)技术因其高达47.6%的转换效率备受瞩目。然而，当阳光被透镜或曲面镜聚焦到微小电池表面时，产生的废热密度可达10 W/cm²以上，堪比现代微处理器。这种高热负荷不仅降低发电效率，更会显著缩短电池寿命。传统冷却方案面临两难选择：将微通道直接蚀刻在半导体材料中会削弱机械稳定性且工艺复杂；而外接微冷却器又需使用热界面材料(TIM)，额外增加0.5-2 K/W的热阻。

针对这一技术瓶颈，来自匈牙利的研究团队在《Materials Today Sustainability》发表创新成果，提出将微通道直接集成到电池背接触金属层的全新解决方案。该技术通过电镀铜工艺在电池背面构建微通道网络，既保持结构完整性，又彻底消除了TIM带来的热阻问题。研究人员采用Siemens FloTherm软件进行计算流体动力学(CFD)模拟，配合自主开发的ANSI C分析工具，对2×2 cm²电池的微通道几何参数进行系统优化。通过五轮工艺迭代，最终实现了与理论模型高度吻合的冷却性能。

关键技术方法包括：1)采用多层种子层电镀工艺构建50 μm高的微通道；2)应用含30 ppm Janus Green的平整剂改善电镀均匀性；3)创新性采用点阵图案化第二种子层防止通道塌陷；4)通过热瞬态测试(TTT)和结构函数分析精确测定0.1 K/W级的热阻变化；5)使用铬掩模将加工精度提升至1 μm级别。

【Device and processing concept】
研究团队设计了一种可在标准CPV电池(20×20 mm²)背面直接集成的冷却结构。先在电池表面蒸镀90 nm钛粘附层和140 nm铜种子层，通过光刻定义通道图案后，采用改进的电镀工艺构建200 μm宽、50 μm高的矩形微通道。创新性地采用"先覆盖后溶解"策略：当电镀铜层将光刻胶通道宽度压缩至10-20 μm时溶解光刻胶，继续电镀直至通道完全封闭。

【Modelling, determination of proper channels geometries】
CFD模拟显示，传统20 mm长通道的热交换主要发生在前5 mm区域。为此，团队创新设计"中心进液-双侧出液"的6 mm短通道阵列，使热阻从1.38 K/W降至0.26 K/W(1 bar压力下)。模拟预测在3 bar压力下热阻可达0.16 K/W，但综合考虑泵功损耗和机械风险，最终选择1 bar为最优工作压力。

【Experimental and results】
通过五代工艺优化：第一代因电镀速率各向异性导致通道堵塞；第二代引入中间种子层但出现顶部塌陷；第三代改用直线通道和点阵图案化种子层；第四代通过45°扩口设计改善流道密封性；第五代采用铬掩模和10 μm精密图案，使实测压力降与理论值偏差仅2.29%。最终第五代器件在90 ccm流量下实现0.32 K/W的局部热阻，与模拟值0.247 K/W高度吻合。

这项研究的意义在于：首先，集成微通道设计使CPV电池在100倍聚光下温升控制在11.5 K以内，较传统方案提升显著；其次，电镀铜工艺兼容各类半导体材料，且不降低机械强度；再者，消除TIM使系统可靠性大幅提高。该技术为CPV系统提供了兼具高性能、低成本和工艺普适性的热管理方案，对推进聚光光伏商业化具有重要价值。研究团队指出，未来可通过3D打印等工艺进一步降低制造成本，并将该技术拓展至更高功率密度的电子器件冷却领域。