CN103400906B - 一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法 - Google Patents

一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法 Download PDF

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Abstract

一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其步骤如下：配制仿生液相沉积镍膜所需的镍溶液和液相沉积铜栅线所需的铜溶液；将PN结电池片整片涂胶形成光刻胶膜，并将根据栅线的结构制定的掩模板覆盖在光刻胶膜上进行掩模，用紫外线光进行曝光，并显影得到光刻窗口；将光刻好的电池片浸没入所述配制的镍溶液中，保持溶液温度20～75℃，光照0.5～6小时，光照强度为0.5～3个太阳，在所述光刻好的电池片上生成镍栅线；将仿生液相沉积完成的镍膜电池片浸没入所述配制的铜溶液中，保持溶液温度25~80℃，开始加电源，进行电沉积铜栅线。本发明的有益效果：简单独特、易于掌握，具有操作方便、重复可靠、成本低。

Description

一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法。
背景技术
严重的能源危机与日益恶化的环境问题，使得大力发展新能源成为全球研究的热点。其中，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源，而以此为基础的太阳能电池作为一种清洁高效的绿色可持续能源，有望成为世界能源的主体。因此，获得低成本、高效率的太阳能电池成为新能源发展的重要目标。为达到这一目标，电池表面的栅线的遮光面积要减小，同时又要具备高效的电荷收集能力，因此太阳能电池栅线的制备尤为重要。
目前制备太阳能电池栅线的方法有丝网印刷、无电沉积法、电沉积法等，其中，应用最为广泛的是丝网印刷，该法制备的栅线宽度在80微米以上，高度为5～30微米，较宽的栅线遮光面积大，影响光的吸收；但是栅线变细后，栅线的高度会降低，电池的欧姆接触电阻变大，会限制电流的收集能力，进而降低电池的转化效率。所以，要获得高转化效率的电池，必须减小栅线宽度，提高栅线的高宽比，传统的丝网印刷工艺已经很难做到。
另外银浆主要由银粉颗粒、无机相和有机载体组成，经过丝网印刷后的硅片，需要经过烧结炉快速烧结才能形成银电极。当银电极与硅达到共晶温度时，晶体硅原子就会以一定的比例融入到银电极中，形成欧姆接触。浆料中的银粉颗粒大小、成分配比以及烧结工艺都会对欧姆电阻有较大影响，因此质量差的银浆或者不合适的烧结工艺都会增加电极的串联电阻，降低太阳能电池的转换效率。
对于无电沉积技术，2011年，StanleyWang[1]等人采用此法在SiNx钝化的P型硅太阳能电池上制备铜电极，获得了较高的电池效率，但这种方法在制备过程中容易出现过沉积问题，过沉积现象会产生遮光损失、分流等，影响电池的短路电流、开路电压、填充因子等因素，进而降低整个电池性能。
发明内容
为了解决现有太阳能电池栅线制备方法存在电池的转换效率低、电池性能低、生产成本高的问题，本发明提供了一种生产成本低、提高了电池转换效率的晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是：
一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其步骤如下：
（1）配制仿生液相沉积镍膜所需的镍溶液和液相沉积铜栅线所需的铜溶液，所述镍溶液中NiSO4·6H2O的含量为10~25g/L，NaH2PO2·2H2O的含量为10~25g/L，柠檬酸钠的含量为5~20g/L，丙酸钠的含量为5~20g/L，光亮剂含量0.5~2.5mg/L,稳定剂的含量为0.5~2.5mg/L；所述CuSO4·5H2O的含量25~80g/L，H2SO4的含量160~200g/L，Cl-的含量30~60ppm，光亮剂的含量1~5ppm,整平剂的含量2~6ppm；
（2）将PN结电池片整片涂胶形成光刻胶膜，并将根据栅线的结构制定的掩模板覆盖在光刻胶膜上进行掩模，用紫外线光进行曝光，并显影得到光刻窗口；
（3）将光刻好的电池片浸没入步骤（1）中配制的镍溶液中，保持溶液温度20～75℃，光照0.5～6小时，光照强度为0.5～3个太阳，在所述光刻好的电池片上生成镍栅线；
（4）将步骤（3）中仿生液相沉积完成的镍膜电池片浸没入步骤（1）中配制的铜溶液中，保持溶液温度25~80℃，开始加电源，进行电沉积铜栅线。
进一步，步骤（4）中的电沉积铜栅线的工艺是将PN结电池片连接稳压稳流可控电源的阴极端，铂片连接稳压稳流电源的阳极端，配制的铜溶液置于磁力搅拌系统中，阴极片、阳极片放入铜溶液中与铜溶液构成循环回路，磁力转子调节铜溶液的流速，磁力搅拌系统设置铜溶液的温度，开启电源，铜溶液的离子间发生反应，形成铜栅线。
进一步，步骤（2）中的光刻胶膜厚度为300~600nm，紫外线曝光时间为5s~1min。
进一步，配制步骤（1）中所需溶液前均需清洗配槽，配槽的清洗步骤是槽体先用3%~5%的碱液浸泡数小时，然后，清水冲洗数次，最后，用8%~12%的酸液浸泡数小时，清水再次冲洗数次。
进一步，步骤（1）中的镍溶液和铜溶液分别用PH计对其进行PH测定；所述镍溶液的PH值的测定是采用PH为4.003的邻苯二甲酸氢钾，所述邻苯二甲酸氢钾可用冰醋酸来调节其PH值的大小，使其PH值范围在2.5~5之间；所述铜溶液的PH值的测定是采用PH为6.864的混合磷酸盐，所述混合磷酸盐可用体积分数为5%~6%的稀盐酸来调节其PH值的大小，使其PH值范围在4.0~6.3之间。
进一步，步骤（1）中镍溶液的配制是先配成NiSO4·6H2O、NaH2PO2·2H2O、柠檬酸钠、丙酸钠的混合溶液，循环搅拌30min，加入光亮剂、稳定剂，循环搅拌1小时；铜溶液的配制是先配成CuSO4·5H2O、H2SO4、Cl-的混合溶液，循环搅拌30min，加入光亮剂、整平剂，循环搅拌1小时。
进一步，步骤（4）后将整片PN结电池片用紫外线曝光，去除掩模层，将PN结电池片清洗烘干。
与现有技术相比，本发明技术方案有如下优点：
1、本发明提供的晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，具有精确的可控性，可以获得比较理想的栅线高宽比，提高电池的光吸收和电荷收集能力。
2、本发明可以在室温条件下实现，无需过多的能源消耗，制备的栅线电极粘附性好、沉积速率高、质量好。
3、本发明提供的晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法简单独特、易于掌握，具有操作方便、重复可靠的特点，且成本较低、具有明确的产业化前景。
附图说明
图1为本发明制得的晶硅太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明的晶硅太阳能电池栅线的仿生制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参见图1，本发明实施方式提供了一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备得到的晶硅太阳能电池的结构示意图，包括N型层1、SiNx钝化的P型层2、镍电极栅线3、铜电极栅线5。
参见图2，本发明实施方式提供的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，该方法整体过程包括以下步骤：
步骤100:清洗和配槽；
首先，槽体用3%~5%的碱液浸泡数小时，然后，清水冲洗数次，最后，用8%~12%的酸液浸泡数小时，清水再次冲洗数次。
步骤200：溶液配制；
镍溶液：NiSO4·6H2O的含量为10~25g/L，NaH2PO2·2H2O的含量为10~25g/L，柠檬酸钠的含量为5~20g/L，丙酸钠的含量为5~20g/L，光亮剂含量0.5~2.5mg/L,稳定剂的含量为0.5~2.5mg/L。
铜溶液：CuSO4·5H2O的含量25~80g/L，H2SO4的含量160~200g/L，Cl-的含量30~60ppm，光亮剂的含量1~5ppm,整平剂的含量2~6ppm。
步骤300：PH计滴定调试；
步骤400：将SiNx钝化的PN结电池片进行光刻；
将PN结电池片整片涂胶形成光刻胶膜，并将根据栅线的结构制定的掩模板覆盖在光刻胶膜上进行掩模，用紫外线光进行曝光，并显影得到光刻窗口。栅线的结构成方形或矩形，尺寸直径在10-80μm，长度根据硅片尺寸而定。
步骤500：仿生液相沉积镍层；
将光刻好的电池片浸没入步骤200中配制的镍溶液中，保持溶液温度20～75℃，光照0.5～6小时，光照强度为0.5～3个太阳，在所述光刻好的电池片上生成镍栅线；
仿生液相沉积镍层是为了隔离铜层与硅片的接触，这种隔离层不仅可以与PN结形成良好的欧姆接触，而且可以阻挡铜离子扩散进入硅片，避免发生毒化作用，因为铜离子一旦扩散进入硅片，会降低少数载流子的迁移率，进而影响整个电池效率。
步骤600：调整工艺参数条件，液相沉积铜栅线；
将步骤500中仿生液相沉积完成的镍膜电池片浸没入步骤200中配制的铜溶液中，保持溶液温度25~80℃，开始加电源，进行电沉积铜栅线。
在本实施方式中，电沉积所使用的设备包括：磁力搅拌系统、稳压稳流可控电源、PH计、电解槽等，磁力搅拌系统可以设置温度，通过调节温度，控制沉积铜溶液的温度参数，达到所需的稳定状态。此外，这个系统还可以通过调节磁力转子的转速，进而控制沉积铜溶液的流速，从而使电沉积过程的溶液浓度保持平衡。稳压稳流可控电源包括阴极、阳极、接地电极等三个电极，通过阴阳极的短接、调节电流或电压档的粗调旋钮或细调旋钮，控制整个电沉积过程为稳压状态或稳流状态。
在本实施方式中，电沉积铜栅线工艺为：将PN结电池片连接稳压稳流可控电源的阴极端，铂片连接稳压稳流电源的阳极端，配制的铜溶液置于磁力搅拌系统中，阴极片、阳极片放入铜溶液中与铜溶液构成循环回路，磁力转子调节铜溶液的流速，磁力搅拌系统设置铜溶液的温度，开启电源，铜溶液的离子间发生反应，形成铜栅线。
在本实施方式中，所需调整的工艺参数包括铜溶液的浓度、铜溶液的沉积温度、所需的稳定的电压或电流输出、电解液的PH、磁力转子的转速、沉积时间、阴阳极片间距等。
步骤700：去除掩膜层，冲洗、烘干；
仿生液相沉积后，整片PN结电池片用紫外光曝光，去除掩膜层，然后，清洗电池片数次，烘干。
在本实施方式中，仿生液相沉积工艺具体的实施步骤如下:
步骤401：将所需的PN结电池片涂上正胶AZ1350SF，厚度为300~600nm；
步骤402：将掩模板覆盖在光刻胶膜上，进行掩膜，用紫外光进行曝光5s~1min；
步骤403：用显影液进行显影得到光刻窗口，位于图1中位置3，而图1中的位置4为涂有光刻胶的位置。这样的结构便于进行后续光诱导液相沉积镍工艺的进行。
步骤404：将光刻后的PN结电池片浸没于丙酮溶液中，对光刻窗口进行清洗。
步骤501：配制如下混合溶液：NiSO4·6H2O的含量为10~25g/L，NaH2PO2·2H2O的含量为10~25g/L，柠檬酸钠的含量为5~20g/L，丙酸钠的含量为5~20g/L，光亮剂含量0.5~2.5mg/L,稳定剂的含量为0.5~2.5mg/L。
步骤502：用PH计对溶液进行测量，用冰醋酸调节PH计的PH大小，PH的范围为2.5~5。
步骤503：对溶液进行加热，温度范围为20℃~75℃。
步骤504：将所述的PN结电池片浸没入步骤501配制的沉积溶液中，光照1小时，光照强度为1个太阳，在所述PN结电池片形成镍栅线。
步骤601：配制如下混合溶液：CuSO4·5H2O的含量25~80g/L，H2SO4的含量160~200g/L，Cl-的含量30~60ppm，光亮剂的含量1~5ppm,整平剂的含量2~6ppm。
步骤602：用PH计对溶液进行测量，用体积分数为5%~6%的稀盐酸调节PH计的PH大小，PH的范围为4.0~6.3。
步骤603：将步骤601配置的溶液放入磁力搅拌系统中，设置温度参数为60℃，转速为100r/min，循环搅拌15min。
步骤604：将铂片接入稳压稳流可控电源的阳极端，PN结电池片接入阴极端，阴极片、阳极片均放入沉积溶液中，构成循环回路，调节阴阳极片间距为0.8mm~2cm。
步骤605：调节稳压稳流可控电源的粗调旋钮或细调旋钮，使电压输出为0.5V~3.0V，沉积时间依所需沉积厚度而定，电沉积形成铜栅线。

Claims (7)

1.一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其步骤如下：
（1）配制仿生液相沉积镍膜所需的镍溶液和液相沉积铜栅线所需的铜溶液，所述镍溶液中NiSO4·6H2O的含量为10~25g/L，NaH2PO2·2H2O的含量为10~25g/L，柠檬酸钠的含量为5~20g/L，丙酸钠的含量为5~20g/L，光亮剂含量0.5~2.5mg/L,稳定剂的含量为0.5~2.5mg/L；所述铜溶液中CuSO4·5H2O的含量25~80g/L，H2SO4的含量160~200g/L，Cl-的含量30~60ppm，光亮剂的含量1~5ppm,整平剂的含量2~6ppm；
（2）将PN结电池片整片涂胶形成光刻胶膜，并将根据栅线的结构制定的掩模板覆盖在光刻胶膜上进行掩模，用紫外线光进行曝光，并显影得到光刻窗口；
（3）将光刻好的电池片浸没入步骤（1）中配制的镍溶液中，保持溶液温度20～75℃，光照0.5～6小时，光照强度为0.5～3个太阳，在所述光刻好的电池片上生成镍栅线；
（4）将步骤（3）中仿生液相沉积完成的镍膜电池片浸没入步骤（1）中配制的铜溶液中，保持溶液温度25~80℃，开始加电源，进行电沉积铜栅线。
2.根据权利要求1所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：步骤（4）中的电沉积铜栅线的工艺是将PN结电池片连接稳压稳流可控电源的阴极端，铂片连接稳压稳流电源的阳极端，配制的铜溶液置于磁力搅拌系统中，镍膜电池片放入铜溶液中与铜溶液构成循环回路，磁力转子调节铜溶液的流速，磁力搅拌系统设置铜溶液的温度，开启电源，铜溶液的离子间发生反应，形成铜栅线。
3.根据权利要求1所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：步骤（2）中的光刻胶膜厚度为300~600nm，紫外线曝光时间为5s~1min。
4.根据权利要求1所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：配制步骤（1）中所需溶液前均需清洗配槽，配槽的清洗步骤是槽体先用3%~5%的碱液浸泡，然后，清水冲洗，最后，用8%~12%的酸液浸泡，清水再次冲洗。
5.根据权利要求1所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：步骤（1）中的镍溶液和铜溶液分别用PH计对其进行PH测定；所述镍溶液的PH值的测定是采用PH为4.003的邻苯二甲酸氢钾，所述邻苯二甲酸氢钾用冰醋酸来调节其PH值的大小；所述铜溶液的PH值的测定是采用PH为6.864的混合磷酸盐，所述混合磷酸盐用体积分数为5%~6%的稀盐酸来调节其PH值的大小。
6.根据权利要求1所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：步骤（1）中镍溶液的配制是先配成NiSO4·6H2O、NaH2PO2·2H2O、柠檬酸钠、丙酸钠的混合溶液，循环搅拌30min，加入光亮剂、稳定剂，循环搅拌1小时；铜溶液的配制是先配成CuSO4·5H2O、H2SO4、Cl-的混合溶液，循环搅拌30min，加入光亮剂、整平剂，循环搅拌1小时。
7.根据权利要求1~6之一所述的一种晶硅太阳能电池栅线的仿生制备方法，其特征在于：步骤（4）后将整片PN结电池片用紫外线曝光，去除掩模层，将PN结电池片清洗烘干。
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