CN104103335A - 太阳能电池背电极用金属丝及制备方法、太阳能电池片及制备方法和太阳能电池组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池背电极用金属丝，所述金属丝为锌合金，其组成为A_XB_YC_ZD_W，其中A为锌元素，B为锡元素，C选自铅、铋、锑元素中的至少一种，D选自铜、银元素中的至少一种；X、Y、Z、W为质量百分含量，且X为8.0~80，Y为20~92，Z为0~40，W为0~6.0，且X+Y+Z+W=100。本发明还提供了该金属丝的制备方法，以及采用该金属丝制备太阳能电池片的方法，以及采用该方法制备得到的太阳能电池片和太阳能电池组件。本发明的太阳能电池片中，背电极制备工艺简单，且其与铝背场的附着力良好，与普通光伏焊带的可焊性好，粘合力高，电池片的光电转化效率得到一定提升，尤其是背电极制备不使用银浆，有效地降低了太阳能电池的材料成本。

Description

太阳能电池背电极用金属丝及制备方法、太阳能电池片及制备方法和太阳能电池组件

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，尤其涉及一种太阳能电池背电极用金属丝及其制备方法、一种太阳能电池片及其制备方法和太阳能电池组件。

背景技术

目前成熟商业化生产的晶体硅太阳电池以其工艺流程简单、转化效率高、便于大规模生产等优点迅速发展起来，该类电池占据了光伏市场电池量的80%以上的份额。并且，晶体硅太阳电池有望成为未来电力供应的主要支柱。

目前商业的制作晶体硅太阳电池电极的方法是金属化工艺，即采用丝网印刷的方法在硅片的背光面印刷2~3条背银浆料，烘干，然后再在电池的背光面除印刷背银浆料的区域之外印刷背铝浆料，烘干，再在电池的向光面印刷向光面银浆，然后过烧结炉一次烘干烧结而成。该方案在背光面银浆区域烧结后形成背面电极，向光面银浆区域烧结后形成正面电极，工艺简单成熟。但是，该方案的电极线所采用浆料均使用含银导电浆料，因此，其材料成本相对较高。如何采用非银材料作为电池的导电电极，并保持良好的导电、附着、焊接等性能，依旧是当前晶体硅太阳电池电极研究的热点。

目前，现有技术中有采用含镀银铜浆料作为背面电极浆料而制备太阳能电池的方法，该背面电极浆料中所采用的导电金属粉体由银粉和镀银铜粉两者组成，其中镀银铜粉占大半部分。该方法能有效降低背面电极的制作成本，解决了纯贱金属浆料如铜浆在电池片烧结过程中的氧化问题，接触电阻无明显增加，电池转换效率基本保持不变。但是，该方法还是采用了金属银制备浆料工艺，该方案与传统的背面银浆技术无本质上的区别，并且镀银铜粉的价格相对仍较高。另外，该导电金属粉体中添加的镀银铜粉过多，还可能会造成浆料烧结后背电极带与硅基底的附着性能下降的问题。

发明内容

本发明解决了现有技术中晶体硅太阳电池的背面电极浆料采用银浆导致成本高的技术问题，提供一种成本低、光电转化率有相对提升的非银材料的太阳能电池背电极用金属丝及其制备方法、一种太阳能电池片及其制备方法和太阳能电池组件。

具体地，本发明的技术方案为：

一种太阳能电池背电极用金属丝，所述金属丝为锌合金，其组成为A_XB_YC_ZD_W，其中A为锌元素，B为锡元素，C选自铅、铋、锑元素中的至少一种，D选自铜、银元素中的至少一种；X、Y、Z、W为质量百分含量，且X为8.0~80，Y为20~92，Z为0~40，W为0~6.0，且X+Y+Z+W=100。

本发明还提供了所述太阳能电池背电极用金属丝的制备方法，包括将各金属原料按比例熔合后再浇铸、挤压、拉丝得到。

进一步地，本发明提供了一种太阳能电池片的制备方法，包括将背面具有铝背场的硅片加热，至铝背场表面温度达到150~250℃；然后将本发明提供的金属丝采用焊机加热至150~500℃，使金属丝熔融，再将熔融物涂覆于铝背场表面，形成长条形涂布带，冷却后形成背电极，得到所述太阳能电池片。本发明还提供了一种太阳能电池片，包括硅片、位于硅片背面的铝背场、位于铝背场上的背电极；所述太阳能电池片由本发明提供的制备方法制备得到。

最后，本发明提供了一种太阳能电池组件，所述太阳能电池组件包括依次层叠的背板、密封胶层、电池片、密封胶层和透光层；其中，所述电池片为本发明提供的太阳能电池片。

本发明中，直接采用组成为A_XB_YC_ZD_W的锌合金金属丝用作太阳能电池的背电极，一方面无需使用电极银浆，能有效降低电池的材料成本，且金属丝以及背电极的制作工艺简单；另外，采用本发明组成的金属丝制作太阳能电池背电极时，其与铝背场的附着力良好，与普通光伏焊带的可焊性好，粘合力高，同时铝背场的面积较传统银背电极太阳能电池有所增加，使得本发明提供的太阳能电池片的光电转化效率也得到有效提升。     

附图说明

图1为本发明提供的太阳能电池片的侧面示意图。

图2为本发明提供的太阳能电池片的背光面俯视图。

图中，1——背电极，2——铝背场，3——衬底。    

具体实施方式

一种太阳能电池背电极用金属丝，所述金属丝为锌合金，其组成为A_XB_YC_ZD_W，其中A为锌元素，B为锡元素，C选自铅、铋、锑元素中的至少一种，D选自铜、银元素中的至少一种；X、Y、Z、W为质量百分含量，且X为8.0~80，Y为20~92，Z为0~40，W为0~6.0，且X+Y+Z+W=100。

本发明中，直接采用组成为A_XB_YC_ZD_W的锌合金金属丝用作太阳能电池的背电极，一方面无需使用电极银浆，能有效降低电池的材料成本，且金属丝以及背电极的制作工艺简单；另外，采用本发明组成的金属丝制作太阳能电池背电极时，其与铝背场的附着力良好，与普通光伏焊带的可焊性好，粘合力高。

具体地，本发明中，所述金属丝的组成中含有较高质量组成（8.0~80wt%）的锌元素。锌铝两元素的亲和性很高，因此在合金熔化状态下，合金中的锌原子能有效充当助熔剂的作用。太阳能电池的铝背场表面的氧化铝膜很薄，高温熔融时金属丝（即前述组成的锌合金）中的锌原子能迅速熔蚀该表层氧化铝膜，同时金属丝熔融液穿过氧化铝膜与铝背场内的铝发生浸润并接触，依靠原子间的引力，使得金属丝熔融液就可粘附在铝背场表面，冷却后即形成背电极带。本发明的发明人通过大量实验发现，要使金属丝熔融液冷却后形成的背电极带与铝背场有好的粘合力，本发明提供的金属丝锌合金中锌的质量百分含量即X的取值必须为8.0~80。

作为本发明的一种优选实施方式，所述金属丝的组成为Zn_X1Sn_Y1，其中X1、Y1为质量百分含量，即该金属丝为锌锡二元合金。因纯锌的导电性比纯锡好，但熔点比锡高，因此，锌锡合金中锌含量越高，则合金的导电性越好，但合金熔点也越高（针对锌含量大于8.0wt%的情况而言），导致该金属丝的熔融温度也越高，电池片隐裂的机会变大。目前，普通光伏焊带为镀锡铜带，其涂层成分主要组成为锡（也可能含有铅，也还可能含少量的铜或/和银），锌锡的结合强度不如锡锡本身，如合金丝中的锌含量过高，则导致锡含量的过少，会导致得到的背电极带与光伏焊带的结合力变差。此外，锌对背电场中的铝的浸润性要高于锡，过高锌含量的合金丝在涂覆时，冷却后形成的金属带（即背电极带），其边缘一致性会变差。本发明的发明人通过进一步实验发现，当金属丝采用Zn_X1Sn_Y1锌锡二元合金时，X1更优选为20~50，且X1+Y1 =100。采用该更优选的锌锡二元合金作为背电极金属丝时，其导电性能和熔融温度适中，成本低，工艺也容易控制。

作为本发明的第二种优选实施方式，所述金属丝的组成为Zn_X2Sn_Y2Cu_W2，其中X2、Y2、W2为质量百分含量，且X2为20~50，W2为0.2~1.0，且X2+Y2+W2=100。该组成的金属丝为锌锡铜三元合金，该合金中铜元素可以降低合金的电阻率，但其含量不能太多，否则造成合金的熔融温度急剧升高，导致后续将该组成的金属丝熔融涂覆于铝背场表面时工艺难以控制，不容易得到厚度均匀、边缘整齐的背电极带，因此W2为0.2~1.0。

作为本发明的第三种优选实施方式，所述金属丝的组成为Zn_X3Sn_Y3Cu_W31Ag_W32，其中X3、Y3、W31、W32为质量百分含量，且X3为20~50，W31为0.2~1.0，W32为0.5~5.0，且X3+Y3+W31+W32=100。该金属丝为锌锡铜银四元合金，其中添加银的作用是进一步增加金属丝的导电性，但银的添加对提升合金丝的熔点无铜那样显著，因此，在同时添加铜、银金属时，银的量可比铜多，即W31为0.2~1.0，W32为0.5~5.0。采用该类组成的锌合金作为背电极用金属丝，其导电性能更优越，电阻进一步降低，从而可进一步改善太阳能电池片的性能，但过多的添加银可能导致背电极的成本的上升。

作为本发明的第四种优选实施方式，所述金属丝为五元合金，其通过在前述锌锡铜银四元合金中继续加入铅、锑或铋元素，该类元素可进一步降低金属丝的熔点，可使金属丝在较低的温度下熔融，可降低能耗和操作安全风险。以环保起见，可不加入铅，而以锑或铋替代加入，但是，铅、锑或铋的电阻率都大于锡，尤其是铋，因此，铅、锑或铋的添加量也不能太多，太多则可使电池片的串联电阻增加，导致太阳电池的光电转换效率下降，并可导致背电极带与铝背场及光附焊带的粘合力下降。因此，更优选情况下，五元合金的金属丝的组成为Zn_X4Sn_Y4Bi_Z4Cu_W41Ag_W42，其中X4、Y4、Z4、W41、W42为质量百分含量，且X4为20~50，Z4为1~10，W41为0.2~1.0，W42为0.5~5.0，且X4+Y4 +Z4+W41+W42=100。

本发明还提供了所述太阳能电池背电极用金属丝的制备方法，包括将各金属原料按比例熔合后再浇铸、挤压、拉丝得到。其中，金属原料即其合金组成中各元素对应的金属单质原料。其中，熔合、浇铸、挤压、拉丝的工艺为本领域技术人员所公知，本发明没有特殊限定，此处不再赘述。另外，在拉丝得到金属丝后，为便于后续涂覆于铝背场上，还可以包括绕线、包装等步骤，但不局限于此。本发明中，在将各金属原料熔融时，可先将金属锡熔融后，然后按比例加入其它金属原料颗粒，至全部熔合后再依次进行其余步骤，但不局限于此。

进一步地，本发明提供了一种太阳能电池片的制备方法，包括将背面具有铝背场的硅片加热，至铝背场表面温度达到150~250℃；然后将本发明提供的金属丝采用焊机加热至150~500℃下使其使熔融，再将熔融物涂覆于铝背场表面，形成长条形涂布带，冷却后形成背电极，得到所述太阳能电池片。

其中，在硅片背面形成铝背场的步骤为本领域技术人员公知，此处不赘述。

而将金属丝熔融并涂覆于铝背场表面的步骤可通过采用焊机进行，具体通过焊机的焊接头将金属丝加热并熔融，然后再将熔融物涂覆与铝背场表面，形成长条形涂布带，冷却后即形成背电极。其中，所述焊机可以采用超声波电烙铁自动焊机（又称超音波焊锡机）或普通电烙铁自动焊机。其中，超声波电烙铁焊接的原理是：通过超声波作用于铝或者铝合金表面的液体（该液体即为金属丝加热熔融得到的熔融液），使该金属熔融液体快速破坏铝表面的氧化铝膜，从而使焊液穿过氧化膜层与内层铝有效地结合。超声波焊接得到的锡背电极带与硅基底的结合强度更大，导电性能更好，性能更优。

如采用普通电烙铁自动焊机进行焊接，则金属丝在热作用下熔融，熔融液中的锌作为破坏氧化铝膜的成分，使焊液与铝结合，焊接后的结合强度可符合要求，但因为无超声波作用的参与，熔融液与硅结合的强度不如采用超声波电烙铁焊接的强度大。因此，本发明中，将金属丝熔融并涂覆于铝背场表面的方法优选采用超声波电烙铁自动焊机进行，但不局限于此。

金属丝在加热熔融并涂覆于铝背场表面后，冷却便形成背电极带。发明人发现，金属丝直径太大时，在采用焊机熔融涂覆形成背电极带时，会造成电极带过宽、过厚，一定宽度的光伏焊带不能覆盖背电极带而造成浪费，于降低电池成本不利，并且过厚背电极带会造成电池组件的串联电阻增加；而金属丝直径太小时，则会造成背电极带过窄、过薄。同样，过窄的背电极在与光伏焊带焊接时，不仅对收集光生流及焊接不利，也会造成电池组件的串联电阻增大。因此，本发明中，所述金属丝的直径为0.20~3.00mm；对应地，采用该直径的金属丝焊接后冷却形成的背电极的宽度为2.0~10mm，厚度为0.5~10μm。优选情况下，所述金属丝的直径为0.50~1.50mm；对应地，采用该优选直径的金属焊接后冷却形成的背电极的宽度为4.0~6.0mm，厚度为1.0~5.0μm。

本发明中，硅片1背面焊接金属丝并冷却形成的背电极3可以是间断分布或者连续分布，如图1或2所示。优选情况下，在整个铝背场2表面背电极3的条数为2~4条，但不局限于此。

本发明还提供了一种太阳能电池片，如图1和2所示，包括硅片3、位于硅片3背面的铝背场2、位于铝背场2上的背电极1；所述太阳能电池片由本发明提供的制备方法制备得到。

传统银背电极太阳能电池中，先在硅片背面电极区域印刷背面电极银浆，然后在除电极区域以外的其它区域再印刷背场铝浆，烧结后形成铝背场和银背电极。而本发明中，则是在硅片3的整个背光面形成铝背场2，然后在铝背场2上形成若干条背电极1，因此本发明提供的太阳能电池片中铝背场2的面积较传统银背电极太阳能电池有所增加，使得本发明提供的太阳能电池片的光电转化效率得到有效提升。

作为本领域技术人员的公知常识，所述硅片3的向光面还具有正电极（附图中未示出），该正电极可以通过现有技术中常用的印刷向光面银浆后烧结而成，本发明没有特殊限定，此处不再赘述。

最后，本发明还提供了一种太阳能电池组件，所述太阳能电池组件包括依次层叠的背板、密封胶层、电池片、密封胶层和透光层；其中，所述电池片为本发明提供的太阳能电池片。其中，背板、密封胶层以及透光层的结构和材质均为本领域技术人员的公知常识，本发明没有特殊限定。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1~17

（1）金属丝的制备

根据表1所示的合金组成，按比例将各金属原料熔合、浇铸、挤压、拉丝、绕线、包装，得到对应金属丝。在挤压、拉丝时控制金属丝的直径，使得到的金属丝的直径为1.0mm。   

（2）太阳能电池片的制备

多晶硅片规格为：156×156mm，厚度为200μm（腐蚀前）。将该多晶硅片制绒、制PN结、镀减反射膜后，在整个背光面采用丝网印刷背场铝浆（台湾硕禾科技，108C铝浆）并烘干后，再印刷正面银浆（Dupont公司，17F银浆），经过隧道炉烧结后，得到已具备铝背场和正电极线的硅片。硅片加热至铝背场表面温度为200℃，然后采用超声波电烙铁自动焊机（该设备的主要功能部件为超声波电烙铁，韩国MECS公司生产，型号为MR-5030）进行施工，焊接头温度设置为250~450℃，超声波频率为30K±1K赫兹，超声波电烙铁的输出功率为500W，金属丝与铝背场的间隔距离为0.1~0.3mm，依靠焊接机的电烙铁头将步骤（1）制备的金属丝加热熔融，然后将熔融物涂覆于硅片的铝背场表面，冷却后即得到具有背电极带的各太阳能电池片S1~S17，各太阳能电池片背面的背电极带的宽度为5.0mm，厚度为3.0~6.0μm，在整个铝背场表面各分布3条。

实施例18

采用实施例11相同组成的金属丝和相同的步骤制备本实施例的太阳能电池片S18，不同之处在于：

步骤（2）中，调节金属丝与铝背场的间距以及金属丝的走丝速度，使得到太阳能电池S18背面的背电极带的厚度为1.0~3.0μm。

实施例19

采用实施例11相同组成的金属丝和相同的步骤制备本实施例的太阳能电池片S19，不同之处在于：

步骤（2）中，调节金属丝与铝背场的间距以及金属丝的走丝速度，使得到太阳能电池S19背面的背电极带的厚度为8.0~10μm。

实施例20

采用实施例11相同组成的金属丝和相同的步骤制备本实施例的太阳能电池片S20，不同之处在于：

步骤（2）中，采用普通电烙铁自动焊机（将实施例1~17中自动焊接设备中的超声波焊接头换成普通电烙铁头即可）进行涂覆，电烙铁的输出功率为300W，焊接头温度设置为350~400℃。

对比例1

多晶硅片规格为：156×156mm，厚度为200μm（腐蚀前），印刷前厚度为180μm在将硅片制绒、制PN结、镀减反射膜后，先采用丝网印刷背面银浆（Dupont公司的PV505银浆），背银结构采用三线四段制（即背银为三条），印刷湿重为0.040g。烘干，在背银浆余下背光面部分，印刷背场铝浆（台湾硕禾科技，108C铝浆），烘干后，再在向光面印刷正面银浆（Dupont公司，17F银浆），经过隧道炉烧结后，得到具备铝背场、银背电极线和正面电极线的太阳能电池片DS1。

性能测试

1、粘合力：选用上海胜陌1.2×0.2mm锡铅焊带，用汉高X32-10I型助焊剂浸泡后烘干，然后在320℃对制备好的背电极进行手工焊接，待电池片S1-S20和DS1自然冷却后，使用山度SH-100拉力机对焊带和电池片之间呈45°匀速拉伸，记录焊带和电池片剥离时的峰值拉力，单位为N/mm。

2、光电效率：采用单次闪光模拟测试仪器对各电池片S1-S20和DS1进行测试得到。测试条件为标准测试条件（STC） ：光强：1000W/m²；光谱：AM1.5；温度：25℃。

每个测试均取100片电池片进行实验，测试结果取平均值，如表1所示。   

表1

。

从表1的测试结果可以看出，采用本发明的金属丝制备的背电极的太阳能电池片S1~S20的粘合力为9.30 N/mm以上，而用对比例1的方法制备的太阳能电池片DS1的粘合力仅为9.20 N/mm。

同时，本发明提供的金属丝通过焊接制备背电极的得到的太阳能电池片的光电转换效率为17.60%以上，而用传统的对比例1方法制备的背银电极的太阳能电池片的光电转换效率仅为17.55%，说明本发明制备得到的太阳能电池片的背电极与铝背场的附着力良好，与普通光伏焊带的粘合力高，同时太阳能电池片的光电转换效率得到明显提升。另外，本发明提供的太阳能电池，其背电极制备不使用银浆，有效降低了电极的材料成本，增加了太阳能电池发电与传统电池的竞争力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝为锌合金，其组成为A_XB_YC_ZD_W，其中A为锌元素，B为锡元素，C选自铅、铋、锑元素中的至少一种，D选自铜、银元素中的至少一种；X、Y、Z、W为质量百分含量，且X为8.0~80，Y为20~92，Z为0~40，W为0~6.0，且X+Y+Z+W=100。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的组成为Zn_X1Sn_Y1，其中X1、Y1为质量百分含量，且X1为20~50，且X1+Y1 =100。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的组成为Zn_X2Sn_Y2Cu_W2，其中X2、Y2、W2为质量百分含量，且X2为20~50，W2为0.2~1.0，且X2+Y2 +W2=100。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的组成为Zn_X3Sn_Y3Cu_W31Ag_W32，其中X3、Y3、W31、W32为质量百分含量，且X3为20~50，W31为0.2~1.0，W32为0.5~5.0，且X3+Y3+W31+W32=100。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的组成为Zn_X4Sn_Y4Bi_Z4Cu_W41Ag_W42，其中X4、Y4、Z4、W41、W42为质量百分含量，且X4为20~50，Z4为1~10，W41为0.2~1.0，W42为0.5~5.0，且X4+Y4 +Z4+W41+W42=100。

6.根据权利要求1~5任一项所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的直径为0.20~3.00mm。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池背电极用金属丝，其特征在于，所述金属丝的直径为0.50~1.50mm。

8.权利要求1所述的太阳能电池背电极用金属丝的制备方法，其特征在于，包括将各金属原料按比例熔合后再浇铸、挤压、拉丝得到。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括先将金属锡熔融后，然后按比例加入其它金属原料颗粒，至全部熔合后再浇铸、挤压、拉丝得到。

10.一种太阳能电池片的制备方法，其特征在于，包括将背面具有铝背场的硅片加热，至铝背场表面温度达到150~250℃；然后将权利要求1所述的金属丝采用焊机加热至150~500℃，使金属丝熔融，再将熔融物涂覆于铝背场表面，形成长条形涂布带，冷却后形成背电极，得到所述太阳能电池片。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述焊机为超声波电烙铁自动焊机。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述背电极的宽度为2.0~10mm，厚度为0.5~10μm。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述背电极的宽度为4.0~6.0mm，厚度为1.0~5.0μm。

14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述背电极的条数为2~4条。

15.一种太阳能电池片，包括硅片、位于硅片背面的铝背场、位于铝背场上的背电极，其特征在于，所述太阳能电池片由权利要求10-14任一项所述的制备方法制备得到。

16.一种太阳能电池组件，所述太阳能电池组件包括依次层叠的背板、密封胶层、电池片、密封胶层和透光层，其特征在于，所述电池片为权利要求15所述的太阳能电池片。