CN101919063A - 太阳能电池金属化方法、热熔气溶胶墨水和气溶胶喷射印制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在太阳能电池上施敷导电结构的新方法，其中借助于气溶胶喷射印制系统将热熔气溶胶墨水喷成雾状，并从印制系统朝向太阳能电池的方向喷出，其中该印制系统至少部分被加热，以便使所用的墨水保持低粘度。当墨水接触未被加热的基片即接触太阳能电池时，墨水凝结。

Description

太阳能电池金属化方法、热熔气溶胶墨水和气溶胶喷射印制系统

技术领域

本发明涉及一种用于在太阳能电池上施敷导电结构的新方法，其中借助于气溶胶喷射印制系统将热熔气溶胶墨水喷成雾状，并从印制系统朝向太阳能电池的方向喷出，其中该印制系统至少部分被加热，以便使所用的墨水保持低粘度。当墨水接触未被加热的基片(太阳能电池)时，墨水凝结。

背景技术

对于在太阳能电池上的导电接触部，特别是正面的接触部，力求使接触面尽可能小，并且同时使接触栅格保持高导电性。小的接触面避免阴影太大并减少载流子的再结合。接触栅格的良好导电性减少了电损耗。使印制接触部不但实现了尽可能小，并且同时实现了形成得尽可能高。高度与宽度之比表示为纵横比。

主要借助于丝网印制对太阳能电池进行金属化。在此，推动金属浆料通过筛网，从而与筛网中的孔相对应地将金属浆料输送到基片上。在此，线宽达到60μm至120μm，高度为10μm至20μm。在此，线宽大约比筛网中的孔宽5μm至15μm。浆料的轻微流动是可容忍的。丝网印制浆料使用d＝1μm和10μm之间的颗粒尺寸。

为了几乎完全避免流动，可以应用热熔浆料。这种丝网印制浆料的关键在于在室温时粘度高，而在40℃至90℃的较高温度时粘度低。这是通过用热塑性聚合系统代替浆料的溶剂而实现的。在丝网印制和移印(Tampondruck)时使用热熔浆料进行金属化。

达到良好的纵横比的另一种可能性是在两个步骤中构造所述接触部。在第一步骤中印制出非常窄而且平面式的金属层(种子层)，在第二步骤中通过电镀加强该金属层。为使电镀加强的接触部实现良好的纵横比，需要印制非常窄的种子层。种子层越窄，纵横比可以越好。用现有的气溶胶喷射技术可以实现20μm以下的线宽。然而，该线宽最多只能达到2μm的高度。气溶胶喷射墨水的显著特征在于低粘度，从而气溶胶喷射墨水可以容易地喷成雾状。气溶胶墨水包含具有低蒸汽压力和低粘度的溶剂。在室温时该墨水的粘度一般在η＝1帕·秒(Pas)以下。

当在像例如硅太阳能电池或玻璃这样的基片上印制金属接触部时，由于墨水的粘度导致流散，并因此导致印制的线条变宽。这不但在如喷墨技术或气溶胶喷射技术这样的无接触印制方法中特别明显，而且在如移印或丝网印制这样的接触的方法中也特别明显。此外，线条的流动导致涂层高度小并因此导致不利的纵横比。

所述气溶胶喷射技术是一种喷墨方法，借助于该喷墨方法有可能印制出平面式的和薄的线条。该技术被用于在一单个印制过程中建立薄的金属接触部(接触部宽20μm至60μm，接触部高度＜2μm)。这些薄的金属接触部用作为用于电镀加强的种子层。然而仅当该基片加热到远高于室温以上(图1和2)时，可以实现这个接触部宽(20μm至60μm)。加热造成气溶胶中的溶剂在接触基片之后蒸发，墨水变干，从而墨水在基片上不能进一步流动。为此需要100℃至200℃的温度。到目前为止，这样高的基片温度使得该印制方法的工业应用很困难或者阻碍该印制方法的工业应用，因为与在室温时印制的情况相比，该周期时间较短。此外，溶剂和高温的结合通常存在变大的安全风险。

发明内容

由此出发，本发明的任务是，提供一种用于在太阳能电池上制造导电结构的优化方法，该方法使得可以自动且可重复地在太阳能电池上实施金属化。尤其是，在此可以获得被实施接触部的有利的纵横比。

这个任务借助于根据专利权利要求1的本发明的方法被解决。由专利权利要求18，提供一种在金属化过程中具有有利特性的热熔气溶胶墨水。在专利权利要求27中给出一种根据本发明的用于对太阳能电池进行金属化的气溶胶喷射印制系统。

因此，根据本发明的方法涉及一种在太阳能电池上施敷导电结构的方法，其中借助于气溶胶喷射印制系统在太阳能电池的基片表面上施敷导电接触部，将热熔气溶胶墨水喷成雾状，并且该气溶胶喷射印制系统至少部分被加热，同时要求所使用的热熔气溶胶墨水在温度不低于40℃时具有η≤1帕·秒的粘度。

因此，在根据本发明的方法中，气溶胶喷射印制系统中的热熔气溶胶墨水在已升高的温度中喷成雾状，该墨水具有一个限定的有利的粘度，该粘度使墨水有利地雾化成为可能。根据本发明，在温度不低于40℃时该粘度必须是≤1帕·秒。随后，将这样喷成雾状的墨水从气溶胶喷射印制系统朝向太阳能电池(基片)方向喷出。在墨水接触基片时，该墨水突然被冷却并凝结在那里。

现在，由此形成的金属接触部的特征为：从1∶3至1∶10，优选从1∶3至1∶5的优异的纵横比(高度与宽度之比)。

在此，对于该方法重要的是，通过调整粘度和成份如此选择所使用的热熔气溶胶墨水，以使得可以实现权利要求1中给出的粘度，该粘度在不低于40℃时η≤1帕·秒。

在此，所使用的热熔气溶胶墨水含有作为固体分散在热塑性化合物中的50至90(重量)％的导电颗粒。为能形成确定的接触，所采用的导电颗粒优选具有小于500nm的直径d₉₀。此外，该墨水可以含有其他固体，特别是金属氧化物和/或玻璃烧结物。

该固体分散于其中的墨水热塑性化合物，尤其是一种或多种C₁₄-至C₂₀-醇和/或热塑性聚合物。优选是C₁₄-C₁₆醇。

在该方法下优选使用的墨水具体用下列配方限定：

a)50至90(重量)％固体，包括金属颗粒、金属氧化物和/或玻璃烧结物，

b)10至20(重量)％的C₁₄-至C₂₀线性醇热塑性化合物，

c)10至30(重量)％的溶剂，和

d)0.01至1(重量)％外加剂，

其中各配方成份a)至d)的累计值等于100(重量)％。

正如已经阐明的，对于该方法重要的是，所采用的墨水这样配方，使之在提高的温度下能够毫无问题地喷成雾状。

可以证明，在室温下该墨水必须具有η≥200帕·秒的粘度，以防止它在基片上扩展。在室温下有利的粘度处于200和5000帕·秒之间，特别优选在200和500帕·秒之间。

这时，正如从现有技术已知的，该要使用的系统包括至少一个雾化器、浓缩器(虚冲击器)和印制头。按照本发明现在规定，气溶胶喷射印制系统的至少一个这种组成部分要部分地被加热，以便获得希望的特性。这里可以用加热至70至100℃的雾化气体进行操作。

在印制系统内部该墨水应该保持为40至70℃的温度。浓缩器(虚冲击器)、印制头以及连接各组成部分的输送管宜保持为50至100℃的温度。

要强调，所采用的气溶胶喷射印制系统被形成为全部都可以被加热是特别有利的。

因此，采用该方法可以在太阳能电池上施敷导电接触，特别是进行金属化。通过获得特别有利的所施敷的金属化的纵横比，该方法优选适用于对太阳能电池前侧接触部进行施敷。

这时，基片表面是由(例如，用SiO2，SiNx，TCO，α-Si，TiO₂)涂敷或未涂敷状态下的硅或者玻璃形成。

这时，推荐的纵横比等于1∶3至1∶10，优选是1∶3至1∶5。

此外，采用本方法时，太阳能电池的基片表面不必加热或应冷却。这里重要的是，基片表面处于这样的温度，使得所采用的墨水出现在该基片上时在尽可能短的时间内凝固。

接着，正如从现有技术已知的，在上述类型的金属化制造中，为了增强或者放大和/或为了提高所施敷的金属化结构的导电性，优选通过银和/或铜的电镀进行电镀增厚或者加强。

此外，本发明还涉及上述的热熔气溶胶墨水。

对粘度有目的控制特别是通过所采用热塑性聚合物的数量和类型进行。这时，该粘度η等于RT≥200帕·秒，它们优选处于200至5000帕·秒的范围内，特别优选在200至500帕·秒的范围内。

为了加入未来的金属颗粒特别是从包括银、镍、锡、锌、铬、钴、钨、钛和/或它们的混合物在内的组中选择的。

此外，特别优选在该墨水中含有金属氧化物，氧化铅、氧化铋、氧化钛、氧化铝、氧化锰和/或它们的混合物。

这时，该热塑性化合物从包括C₁₆至C₂₀，优选C₁₄-C₁₆线性脂(肪)族醇和/或多价醇，如己烷1，6二醇在内的组中选择。

在该墨水所包含的溶剂优选从乙二醇醚、M-甲基吡咯烷酮、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇和/或它们的混合物中选择。

该热熔气溶胶墨水更优选作为外加剂含有分散剂和/或发泡剂。

按照本发明还是气溶胶喷射印制系统，包括至少一个雾化器、一个浓缩器和一个印制头以及把这些部件连接起来的连接管，其中按照本发明的印制系统的特征在于，上述部件中至少一个被形成为可加热，最好所有部件都被形成为可加热。

现将根据以下示例性描述以及附图对本发明作较详细的说明，该描述不限于这里指出的具体的实施方式

按照本发明的热熔气溶胶墨水的示例：

成份，以重量百分数(重量)％表示：固体成份(金属粉末、金属氧化物、玻璃烧结物)70.5(重量)％，长链醇C₁₄+10.5(重量)％，蒸气压力低的溶剂(乙二醇醚)19(重量)％，分散剂0.5(重量)％。

用上述热熔气溶胶墨水运行图4示意地描画的气溶胶喷射印制系统。

附图说明

附图中：

图1是传统的气溶胶喷射印制系统，其中使用加热的基片；

图2是传统的现有技术的气溶胶喷射印制的结果；

图3是按照本发明的气溶胶喷射印制系统的示意图；而

图4是按照本发明的气溶胶喷射印制方法的结果。

具体实施方式

图1表示现有技术的气溶胶喷射印制装置1，其中雾化器2用雾化气体工作。在虚冲击器3中产生的气溶胶通过印制头4附带地添加聚焦气体，通过喷嘴5向加热衬的底6的方向喷出。这时，7表示XY平台。然而，采用这个方法只有能达到有欠缺的结果。基片6的温度一般等于150℃。

通过基片的加热只能达到一个约2μm的小的施敷高度(图2)和＜1∶10的差的纵横比，因为墨水流散。

图3示意地表示按照本发明的气溶胶喷射印制装置9的结构，现在可以参照它对按照本发明的方法作较详细的说明。这里描述的雾化器10被加热，并供应按照本发明的气溶胶喷射墨水。向雾化器10引入的雾化气体同样加热到70和100℃之间的温度。所产生的气溶胶引入同样被加热的虚冲击器11，其中连接各部件的管输入或引入部分同样加热到约60℃的工作温度。向同样加热的印制头12引入聚焦或包围的气体必须不加热，以便聚焦或包围的气体用来有助于冷却被加热的气溶胶，并在通往基片13的路上提高其粘度。这里与现有技术明显的不同是不必加热基片13，以便所产生气溶胶微滴在前往基片的路上，至迟与基片表面接触时凝固并使之不可能流散。通过在该墨水中含有的长链醇同样保证，该气溶胶微滴在凝固时对其他已经粘结的颗粒具有良好的粘结力，并因此保证所施敷的金属化向高度有目的地生长，然而其中与现有技术相比可以保持明显地改善的纵横比。

图4表示在采用按照本发明的方法对太阳能电池进行金属化时可以达到的结果。与图2相比，可以看出纵横比得到明显的改善。这里达到的金属化与图2相比显得高出非常多，并呈现优异的纵横比，以便能够明显地改善导电和建立接触。

Claims (28)

1.在太阳能电池上施敷导电结构的方法，其中借助于气溶胶喷射印制系统把热熔气溶胶墨水喷成雾状，并以此在太阳能电池的基片表面上施敷导电接触部，其特征在于，该气溶胶喷射印制系统至少部分被加热，并规定所采用的热熔气溶胶墨水在至少40℃的温度下具有η≤1帕·秒的粘度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的热熔气溶胶墨水含有作为固体分散在热塑性化合物中的50至90(重量)％的导电颗粒。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所采用的导电颗粒具有小于500nm的直径d₉₀。

4.如权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的热熔气溶胶墨水除了含有所述导电颗粒以外，还含有其他固体，优选地含有金属氧化物和/或玻璃烧结物。

5.如权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的热熔气溶胶墨水含有至少一种热塑性化合物，优选地含有一种或更多种C₁₄至C₂₀醇和/或热塑性聚合物。

6.如权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的热熔气溶胶墨水包括：

a)50至90(重量)％的固体，包括金属颗粒、金属氧化物和/或玻璃烧结物，

b)10至20(重量)％的C₁₄至C₂₀线性醇作为热塑性化合物，

c)10至30(重量)％的溶剂，和

d)0.01至1(重量)％的外加剂，

其中，各个配方成份a)至d)的累计值等于100(重量)％。

7.如权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的热熔气溶胶墨水在室温下具有η≥200帕·秒的粘度。

8.如权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的气溶胶喷射印制系统包括至少一个雾化器、一个浓缩器(虚冲击器)和一个印制头。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述雾化器采用加热至70至100℃的雾化气体工作。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述热熔气溶胶墨水在所述雾化器中保持为40至70℃的温度。

11.如权利要求8至10中至少一项所述的方法，其特征在于，所述浓缩器(虚冲击器)、所述印制头以及连接各个部件的输送管保持为50至100℃的温度。

12.如权利要求1至11中至少一项所述的方法，其特征在于，所采用的气溶胶喷射印制系统被设置为全部可加热。

13.如权利要求1至12中至少一项所述的方法，其特征在于，对前侧接触部进行施敷。

14.如权利要求1至13中至少一项所述的方法，其特征在于，所述基片表面由涂敷硅或玻璃或者未涂敷硅或玻璃形成。

15.如权利要求1至14中至少一项所述的方法，其特征在于，所淀积的金属接触部具有1∶3至1∶10的纵横比(高度与宽度之比)。

16.如上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述太阳能电池的所述基片表面未被加热或者冷却。

17.如上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在气溶胶喷射印制过程之后，通过电镀对所施敷的导电结构进行增厚或者加强，优选用银和/或铜进行。

18.用于气溶胶喷射印制系统以对太阳能电池的基片表面进行金属化的热熔气溶胶墨水，其特征在于，包括：

a)50至90(重量)％的固体，包括导电颗粒、金属氧化物和/或玻璃烧结物，

b)10至20(重量)％的C₁₄至C₂₀线性醇作为热塑性化合物，

c)10至30(重量)％的溶剂，以及

d)0.01至1(重量)％的外加剂，

其中，各个配方成份a)至d)的累计值等于100(重量)％，而在室温下的粘度为η≥200帕·秒。

19.如权利要求18所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，在室温下的粘度η处于200至5000帕·秒的范围内。

20.如权利要求18至19中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述粘度已通过所用的热塑性化合物的数量和类型进行了调节。

21.如权利要求18至20中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述导电颗粒的直径d₉₀小于500nm。

22.如权利要求18至21中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述导电颗粒是金属颗粒，优选是从包括Ag、Ni、Zn、Sn、Cr、Co、Ti、W和/或它们的混合物在内的组中选择的金属颗粒。

23.如权利要求18至22中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述金属氧化物选自氧化铅、氧化铋、氧化钛、氧化铝和/或它们的混合物。

24.如权利要求18至23中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述热塑性化合物是从包括C₁₄至C₁₆线性脂(肪)族醇和/或它们的混合物在内的组中选择的。

25.如权利要求18至24中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，所述溶剂选自乙二醇醚、n-甲基吡咯烷酮、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇和/或它们的混合物。

26.如权利要求18至25中至少一项所述的热熔气溶胶墨水，其特征在于，作为外加剂含有分散剂和/或发泡剂。

27.气溶胶喷射印制系统，该气溶胶喷射印制系统包括至少一个雾化器、一个浓缩器和一个印制头以及把这些部件连接起来的连接管，其特征在于，所述雾化器、所述浓缩器、所述印制头和/或连接管这些部件中的至少一个部件被设置为可加热。

28.如权利要求27所述的气溶胶喷射印制系统，其特征在于，所有部件都被设置为可加热。

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