CN103339739A - 太阳能电池的丝网印刷板及印刷太阳能电池的电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及其中使用导电浆料来同时印刷母线电极和指状电极的太阳能电池的丝网印刷板，该丝网印刷板的特征在于：丝网印刷板的指状电极开口的开口宽度小于80μm，并且丝网印刷板的母线电极开口具有封闭部分。该丝网印刷板的使用使得有可能降低制造太阳能电池的成本，防止在母线电极与指状电极之间的连接部分断裂，从而不导致屏蔽损耗的增加或者太阳能电池的美学品质，以及以高生产率来制造高可靠性的太阳能电池。

Description

太阳能电池的丝网印刷板及印刷太阳能电池的电极的方法
技术领域
本发明涉及使得能够以良好的生产率来制造具有长期可靠性的太阳能电池的丝网印刷板。更特别地，本发明涉及其母线电极的掩模图形被修改使得可以在保持高转换效率的同时以低成本来形成电极的丝网印刷板，以及使用丝网印刷板来印刷太阳能电池的电极的一种方法。
背景技术
由现有技术制造的太阳能电池参照其截面图（图1）、前表面配置（图2）及背表面配置（图3）来描述。一般地，太阳能电池包括硅等材料的p型半导体基板100，在该p型半导体基板100中使n型掺杂剂扩散以形成用于限定p-n结的n型扩散层101。在n型扩散层101上形成了抗反射膜102，例如，SiNx膜。在p型半导体基板100的背表面上，铝浆料被涂布于基本上整个表面上，并且被焙烧以形成背面场（BSF）层103和铝电极104。同样地，通过涂布含有银等的导电浆料及焙烧在背表面上形成用于电流收集的宽电极106（称为母线电极）。在受光面一侧，用于电流收集的指状电极107以及用于收集来自指状电极的电流的宽电极105（称为母线电极）成梳形的图形排列，以致于基本上成直角相交。
在这种类型的太阳能电池的制造中，电极可以通过包括蒸发、电镀、印刷等各种方法来形成。由于成形简单且成本低，正面的指状电极107一般地通过将在下文描述的印刷/焙烧方法来形成。具体地，通过混合作为主要成分的银粉（sliver powder）、玻璃粉（glass frit）、有机载体及有机溶剂而获得的导电浆料一般地被用作正面电极材料。导电浆料通过丝网印刷工艺等来涂布，并且在焙烧炉中高温焙烧以形成正面电极。
以下描述丝网印刷工艺。
丝网印刷工艺使用通过以下步骤制备的丝网印刷板：提供正交编织的经纱和纬纱长丝的网眼织物110，以感光乳剂111涂覆织物，曝光，并且去除部分乳剂以限定基本上矩形的图形孔（图4）。丝网印刷板被放置于待印刷的工件上。印刷浆料（墨水）被搁置于丝网印刷板上并且遍布于图形上。被称为印刷刮件（printing squeegee）的柔性刀片以适合的刮件硬度（60-80度）、刮件角度（60-80度）、压力或外加压力（0.2-0.5MPa）以及印刷速度（20-100mm/sec）来回移动，由此使印刷浆料穿过图形孔转移到待印刷的工件。然后使施加于待印刷的工件的印刷浆料变干以形成印刷图形。
紧接于印刷浆料穿过网眼下落到缺少长丝的图形孔内并且贴附于待印刷的工件之后，印刷浆料在图形孔中保持为不贴附于与经纱和纬纱长丝对应的部分。随后，贴附于与网眼对应的部分的印刷浆料开始流动，产生均匀厚度的连续印刷图形。
如上所述，丝网印刷工艺是：通过印刷刮件（或刀片）的来回移动使填充于丝网印刷板上的图形孔内的印刷浆料转移到待印刷的工件，由此与限定于丝网印刷板上的图形孔相同的图形被形成于待印刷的工件上。
在由以上过程形成的正面指状电极107与硅基板100之间的接触电阻以及电极的互连电阻大大地影响了太阳能电池的转换效率。为了获得高效率（低电池串联电阻、高填充因子（FF）），正面指状电极107的接触电阻和互连电阻必须具有充分低的值。
此外，电极面积必须小，使得受光表面吸收尽可能多的光。要在保持FF的同时提高短路电流（Jsc），必须将指状电极形成这样：它可以具有减小的宽度（薄的）以及增大的截面积，也就是，高纵横比。
虽然各种方法被用来形成太阳能电池的电极，但是形成具有高纵横比的超细线的已知方法包括在电池内形成凹槽并以浆料填充凹槽的方法（JP-A2006-54374）以及基于喷墨印刷的印刷法。但是，前一种方法是所不希望的，因为在基板内形成凹槽的步骤能够导致基板破损。由于后者——喷墨印刷法被涉及用于对液体施加压力以通过细喷嘴喷射小液滴，因而它适合于形成细线，但是难以获得高度。
另一方面，丝网印刷法是低成本高生产率的方法，因为印刷图形的形成容易，对基板的破坏通过调整外加压力而得以最小化，并且每电池单元加工率高。如果使用具有高触变性的导电浆料，则能够形成保留转移时的形状且具有高纵横比的电极。
如同以上所讨论的，丝网印刷法比其它印刷方法更适合于以低成本来形成高纵横比的电极。
但是，当使用以上方法来印刷细线时，会产生在母线电极与指状电极之间的连接变得很薄且最坏的是断裂的问题。如果在受光侧的指状电极局部变薄或者甚至断裂，则该部分成为电阻的控制因素，从而导致填充因子降低。
断裂的原因是在母线电极与指状电极之间的连接处的膜厚的差异。在丝网印刷中，浆料的累积与开口的尺寸成比例。即，大的浆料累积出现于与大开口对应的母线电极，然而浆料的累积出现于与小开口对应的指状电极。因而，在母线电极与指状电极之间的膜厚会产生差异。如果电极在这种状态下焙烧，则断裂会出现于在母线电极与指状电极之间的分界线处，因为具有较大累积的母线电极会经受到更大的收缩量。如果差异小，则会出现在母线电极与指状电极之间的连接变得很薄的现象。
此外，在丝网印刷工艺中，印刷方向（印刷刮件的来回移动方向）同样会成为促进断裂的因素。为了防止指状电极的断裂，通常对丝网印刷板1进行图形化，使得印刷方向与指状电极开口2基本上平行，并且印刷方向与母线电极开口3基本上垂直（图8）。以这种设计，所印刷的电极被配置为这样：定位于相对指状电极12的上游印刷侧的在母线电极13与指状电极12之间的连接的宽度是很狭窄的（图9）。在印刷细线时，这样的缩窄特别突出。这是因为：在指状电极开口2与母线电极开口3之间的连接处，印刷刮件落入母线电极开口3处，从而导致浆料在该连接处累积较少。相比之下，定位于下游印刷侧的在母线电极13与指状电极12之间的连接的宽度由于浆料累积更多而倾向于是宽的（图9）。值得注意地，印刷板包括阻断或掩蔽区5。
另外，由于母线电极开口3比指状电极开口2宽得多，并且刮件112如同以上所提及的那样垂直于母线电极开口3在印刷板上来回移动，因而很可能会发生鞍部现象（saddle phenomenon）。鞍部现象是：在印刷像母线一样宽的开口部分时，开口部分由刮件112挤压（图5），并且使中心部分113比在母线电极的宽度方向上的浆料边缘凹陷得更深（图6）。鞍部现象的出现导致了在其宽度方向上的它的边缘处的母线电极的高度与指状电极的高度之间的差异。由于具有更多累积的母线电极边缘在电极焙烧期间具有更高的收缩因子，因而在母线电极13与指状电极12之间的连接会断裂114（图10）。应当注意，在图10中，断裂线指示在母线电极13与指状电极12之间的连接。
即使在指状电极和母线电极被分别印刷时，鞍部现象出现于母线电极处，从而未能防止在母线电极与指状电极之间的连接处的断裂。
要解决以上问题，JP-A2009-272405公开了对在母线电极与指状电极之间的连接的加宽。但是，在使用这种方法时，会因为在母线电极与指状电极之间的连接极端厚而形成污斑或结块。这引起了类似增大的屏蔽损耗以及劣化的性能之类的问题。当然，与其它半导体器件不同，由于太阳能电池是在日光下使用的器件，因而有很多机会出现于公共视野内。因此，不仅是性能，外观对于太阳能电池同样也很重要。上述专利的方法具有这样的问题：由于在母线电极与指状电极之间的连接是厚的，因而指状电极变为宽度不连续的，从而减损了美学外观。
通过在使丝网印刷板的安装位置旋转至相对于刮件行进的方向不等于90°的整数倍的角度的情况下执行丝网印刷以防止刮件落入母线开口内也是已知的（图7）。但是，该方法具有这样的问题：由于刮件行进方向不平行于指状开口，因而指状电极是模糊的，从而未能进行精确的印刷。
发明内容
技术问题
虽然本发明是为了克服以上问题而作出的，但是本发明的目的是提供与太阳能电池一起使用的丝网印刷板以及通过丝网印刷板来印刷太阳能电极的方法，由此形成使太阳能电池的低成本制造能够具有高转换效率的具有高纵横比和低电阻的电极。
问题解决方案
本发明旨在解决上述问题并且涉及通过印刷导电浆料以同时形成母线电极和指状电极来制造太阳能电池的方法。对于通过穿过包括母线电极开口的丝网印刷板的丝网印刷的电极形成，已经发现，如果母线电极开口部分设置有阻断区，则会减小由刮件对填充于开口内的浆料施加的压力。然后可抑制电极断裂。本发明正是基于该发现。
因此，本发明提供用于太阳能电池的丝网印刷板以及如同下文所限定的那样印刷太阳能电池的电极的方法。
[1]一种用于印刷导电浆料以在太阳能电池上同时形成母线电极和指状电极的丝网印刷板，其特征在于丝网印刷板包括具有小于80μm的开口宽度的指状电极开口以及包括阻断区的母线电极开口。
[2]根据[1]所述的丝网印刷板，其中阻断区占根据丝网印刷板的母线电极开口的轮廓计算的母线面积的高达60%。
[3]根据[1]或[2]所述的丝网印刷板，其中在母线电极开口内的阻断区与在指状电极开口和母线电极开口之间的分界线间隔开50-700μm的距离。
[4]一种用于印刷太阳能电池的电极的方法，其特征在于导电浆料在使用根据[1]至[3]中的任一项所述的丝网印刷板并且在与母线电极的纵向垂直的方向上移动刮件的同时被印刷。
应当注意，对于通常使用的具有80-100μm的宽度的指状开口很少会发生断裂。本发明对于与小于80μm的指状开口宽度对应的细线是有效的。
为了在使用具有以上所述的特征的丝网印刷板来印刷太阳能电池的电极时充分利用本发明，所希望的是，印刷方向基本上垂直于母线电极的纵向。
本发明的有利效果
本发明的丝网印刷板的使用使得有可能降低制造太阳能电池的成本，防止在母线电极与指状电极之间的连接断裂，从而不增加屏蔽损耗或者损害太阳能电池的美学外观，以及以高生产率来制造可靠的太阳能电池。
附图说明
图1是典型的太阳能电池的电极的截面图。
图2是示出典型的太阳能电池的正表面配置的平面图。
图3是示出典型的太阳能电池的背表面配置的平面图。
图4示意性地示出了使用常规的丝网印刷板的印刷步骤。
图5示意性地示出了在使用常规的丝网印刷板的印刷步骤期间的鞍部现象。
图6是示出使用常规的丝网印刷板印刷的电极的剖面的截面图。
图7示意性地示出了使用常规的丝网印刷板来避免断裂的一种示例性方法。
图8是在常规的丝网印刷板内的开口的放大图。
图9是使用常规的丝网印刷板印刷的电极的放大图。
图10是在母线电极与指状电极之间的连接部沿图9内的线A-A截取的截面图。
图11是示出在本发明的一种实施例中的丝网印刷板上的开口的放大图。
图12是在本发明的一种实施例中使用丝网印刷板印刷的电极的放大图。
图13是在母线电极与指状电极之间的连接部沿图12内的线B-B截取的截面图。
具体实施方式
以下将详细地描述本发明的一种实施例。在太阳能电池的制造中使用的丝网印刷板包括含有阻断区的母线电极提供部分。在优选的实施例中，阻断区占根据母线电极的轮廓计算的开口面积的达60%，更优选地达55%。当阻断区占开口面积的至少30%，更优选地为至少45%时，本发明会更好地发挥其作用。丝网印刷板还包括具有小于80μm的宽度的指状电极开口，该宽度优选地为40μm至小于80μm，更优选地为40-75μm，还要更优选地为45-70μm，并且最优选地为50-60μm。
图11示出了本发明的一种示例性丝网印刷板。在图11中，丝网印刷板1包括平行于印刷方向（由箭头示出）延伸的多个指状电极开口2以及垂直于印刷方向延伸的宽幅（Wb）的母线电极开口3。宽度Wb优选为0.5-3mm，更优选地为1-2mm。在根据本发明的丝网印刷板1内，母线电极开口3包括排列于其内的多个阻断区4。这些阻断区4被形成于与指状电极开口2的纵向对齐的位置。在母线电极开口2内的阻断区4优选地与在指状电极开口2和母线电极开口3之间的分界线间隔开50-700μm的距离（Wc），更优选地为100-300μm。如果距离小于50μm，则可以减少所排放的浆料量，招致断裂。如果距离超过700μm，则通过挤压刮件来挤出浆料会使鞍部现象的发生变得显著，从而留下了在焙烧时由于有差别的收缩量而断裂的风险。阻断区4之间的间距优选为100-2,000μm，更优选地为300-1,000μm。
阻断区4的总面积为母线电极开口3和阻断区4的总面积（即，根据丝网印刷板的母线电极开口3的轮廓计算的母线面积）的达60%。指状电极开口2的宽度Wf小于80μm。
使用如以上那样配置的丝网印刷板对于防止指状电极的断裂、刮件在印刷期间落下到母线电极开口内以及指状电极在从母线电极到指状电极的过渡处的增厚是有效的，如同12和13所最佳示出的。
现在，将描述使用根据本发明的丝网印刷板来制造太阳能电池的一种示例性方法。本发明并不限制于由这种方法制造的太阳能电池。
原切割单晶｛100｝的p型硅基板以具有重量百分比为5-60%的浓度的氢氧化钠或氢氧化钾的浓缩碱性溶液或者氢氟酸和硝酸的混合酸来蚀刻以去除工件损坏的表面层，在该p型硅基板中以III族元素（例如，硼或镓）掺杂高纯度的硅，从而给出0.1-5Ω·cm的电阻率。单晶硅基板可以已经通过CZ或FZ方法制备。
随后，给基板表面设置称为纹理的微观粗糙度（microscopicasperity）。纹理是用于降低太阳能电池的反射率的有效方法。纹理可以通过将基板在温度为60-100℃的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠或碳酸氢钠（浓度为1-10wt%）的热碱性溶液内浸泡大约10至大约30分钟来容易地设置。通常，适当量的异丙醇被溶解于碱性溶液内以促进反应。
纹理化随后是以酸性水溶液（例如，盐酸、硫酸、硝酸或氢氟酸，或者它们的混合物）来清洗。从成本和效率的角度来看，以盐酸清洗是优选的。要提高清洁度，清洗可以通过混合0.5-5wt%的过氧化氢水溶液与盐酸水溶液混合并加热至60-90℃来执行。
在基板上，发射极层通过使用三氯氧磷的气相扩散来形成。在常见的硅太阳能电池中，p-n结必须只能在受光表面上形成。为此，必须采取适合的方法来避免在背表面上的任何p-n结，例如，通过执行在两个基板配对在一起时的扩散，或者通过在扩散之前在背表面上形成作为扩散掩模的SiO2或SiNx膜。在扩散结束时，形成于表面上的玻璃使用氢氟酸等来去除。
然后，在受光表面上形成抗反射膜。将等离子体增强型化学气相沉积（CVD）系统用于膜形成，SiNx膜被沉积达大约100nm的厚度。通常，甲硅烷（SiH4）和氨（NH3）的混合物被用作反应气体，然而可以使用氮气来代替NH3。此外，还可以将氢气与该反应气体混合以调整处理压力，稀释反应气体，或者在所使用的基板为多晶硅基板时提高块体钝化效果。
然后，背电极通过丝网印刷方法来形成。在基板的背表面上，通过将银粉及玻璃粉与有机粘结剂混合而获得的浆料被丝网印刷于母线图形内，在此之后，通过将铝粉与有机粘结剂混合而获得的浆料被丝网印刷于除母线外的区域内。在印刷之后，浆料在700-800℃的温度下焙烧5-30分钟以形成背电极。背电极优选地通过印刷方法来形成，但它也能够通过蒸发、溅射等来形成。
然后，正面电极通过使用根据本发明的丝网印刷板的丝网印刷法来形成。
具体地，通过将银粉及玻璃粉与有机粘结剂混合而获得的浆料被使用丝网印刷板来印刷于基板的正面电极上，该丝网印刷板具有设计成使指状电极宽度为30-80μm且指状电极间距为0.5-4.0mm的梳形印刷图形。
本发明的丝网印刷板可以通过如图11所示出的那样提供具有阻断区的母线电极开口而简单地获得，不需要改变以上所提及的常规的太阳能电池图形。
通常使用的丝网印刷板包括具有80-100μm的指状开口。在这种情况下，以上所提及的断裂很少会发生，因为指状电极是充分宽的并且能够被印刷为较厚的。但是，在细线被缩窄到小于80μm的指状开口宽度时，在母线电极与指状电极之间的膜厚的差异变得较大。则断裂能够由于有差别的热收缩量而发生（图9）。
相比之下，当太阳能电池通过同时印刷母线电极和指状电极来制造时，断裂的风险可通过使用包括包含阻断区的母线电极开口的丝网印刷板的印刷步骤来避免，该阻断区占根据母线电极的轮廓计算的开口面积的达60%（图13）。
为了在通过经由具有上述特征的丝网印刷板来印刷电极而制造太阳能电池时充分利用本发明，所希望的是，印刷方向基本上垂直于母线电极。
根据本发明的丝网印刷板的使用具有抑制指状电极增厚的附加效果，因为阻断区存在于母线电极开口内会减少在最后印刷侧处排放的浆料量（图12）。
当阻断区被部分地包含于母线开口内时，在印刷之后可以留下未印刷的区域。但是，这对外观没有导致问题，因为焊料涂覆的铜引线在模块制造时被粘合于该区域。只要母线电极的面积为标准母线电极面积的至少40%，引线与母线电极的粘合强度就得以保持。由于所使用的母线电极的数量被减少，因而太阳能电池能够以更低的成本来制造。在丝网印刷板的母线电极开口内包含阻断区可避免在母线电极与指状电极之间的连接的任何断裂。
一旦电极由上述方法形成，它们就通过在空气中加热于700-800℃的温度下焙烧5-30分钟。背电极和受光侧电极的焙烧可以一次执行。
实例
以下通过说明的方式（而非通过限制的方式）来给出实例与比较实例。
[实例与比较实例]
要证明本发明的优点，太阳能电池通过按如下步骤处理三十（30）个半导体基板来制造。
提供用于承载作为印刷图形的具有宽度（Wf）为60μm的指状电极开口的常规图形A（比较实例，图8）、包括含有阻断区的母线电极开口的图形B（在其它方面等同于图形A）（图11）以及具有宽度（Wf）为100μm的指状电极开口的图形C（比较实例，图8）的丝网印刷板。所有图形共同具有宽度（Wb）为1.5mm的母线电极开口。
更特别地，在图形B中，母线电极开口与在指状电极开口和母线电极开口之间的分界线间隔开100μm的距离Wc，在阻断区之间的间距为1,000μm，并且阻断区的总面积为根据母线电极开口的轮廓计算的母线电极面积的55%。
提供15cm2的原切割的硼掺杂的｛100｝p型硅基板100，该p型硅基板100具有250μm的厚度以及2.0Ω·cm的电阻率。基板被浸泡于浓缩的氢氧化钾水溶液内以去除工件损坏的层，被纹理化，在三氯氧磷气氛中于850℃下进行热处理以形成发射极层101，并且以盐酸来蚀刻以去除磷玻璃，随后是清洗和干燥。其后，使用等离子体增强型CVD系统来形成SiNx膜102。在背表面上，将银粉、玻璃粉和有机粘合剂的浆料丝网印刷于母线图形106内，之后将铝粉和有机粘结剂的浆料丝网印刷于除母线外的图形104内。有机溶剂被蒸发掉，从而得到具有形成于其上的背电极的半导体基板。
然后，通过在刮件硬度为70度、刮件角为70度、外加压力为0.3MPa以及印刷速度为50mm/sec下使用具有所选择的印刷图形的丝网印刷板将以银粉、玻璃粉、有机载体和有机溶剂为基础的且还含有作为添加剂的金属氧化物的导电浆料施加于半导体基板上的抗反射膜上。在印刷之后，在干净的烘炉（oven）内于150℃下加热基板以进行干燥，并且在空气中于800℃下焙烧。
这样制造的三十（30）个太阳能电池在光学显微镜下针对电极进行观察，并且通过太阳模拟器（25℃的气氛，照射强度：1kW/m2，光谱：AM1.5Global）来评价。同样在光学显微镜下，在印刷之后的指状电极的宽度以及连接的宽度被观察以检查任何断裂。表1示出了实例和比较实例的结果（按均值）。
表1
在母线电极与指状电极之间的连接处的断裂在标准条件A下被观察到，而在本发明的方法中以及还有使用大开口宽度的条件C下没有观察到。
在使用大的指状电极宽度的条件C下，短路电流下降。这种下降由因增大的宽度所致的屏蔽损耗导致。在没有断裂的条件B下的填充因子为75.1%，这比在有断裂的条件A下的填充因子高大约1.5%。
在现有技术中，在母线电极与指状电极之间的连接处发生断裂。使用本发明的丝网印刷板，具有高纵横比的电极能够在不增加步骤数的情况下于无断裂风险下形成。
如同以上所证明的，本发明确保了母线电极和指状电极在母线电极与指状电极之间的连接处无断裂风险的情况下形成。因而，能够在高成品率下制造具有高转换效率的太阳能电池。
附图符号列表
1   丝网印刷板
2   指状电极开口
3   母线电极开口
4   在母线电极开口内的阻断区
5   阻断区
12  指状电极
13  正面母线电极
100 p型半导体基板
101 n型扩散层
102 抗反射膜（SiNx膜）
103 BSF层
104 铝电极
105 正面母线电极
106 背面母线电极
107 指状电极
110 网眼织物
111 乳剂
112 刮件
113 凹部
114 断裂部

Claims (4)

1.一种丝网印刷板，用于印刷导电浆料以在太阳能电池上同时形成母线电极和指状电极，其特征在于所述丝网印刷板包括具有小于80μm的开口宽度的指状电极开口以及具有阻断区的母线电极开口。
2.根据权利要求1所述的丝网印刷板，其中所述阻断区占到根据所述丝网印刷板的所述母线电极开口的轮廓计算的母线面积的达60%。
3.根据权利要求1或2所述的丝网印刷板，其中在所述母线电极开口内的所述阻断区与在所述指状电极开口和所述母线电极开口之间的分界线间隔开50-700μm的距离。
4.一种用于印刷太阳能电池电极的方法，其特征在于导电浆料在使用根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的丝网印刷板并且在与所述母线电极的纵向方向垂直的方向上移动刮件的同时被印刷。
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