CN105489666A - 一种喷墨3d打印制备太阳能电池电极的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，包括传动机构、硅片定位系统、激光刻蚀系统、打印系统、控制系统，所述控制系统分别与传动机构、硅片定位系统、激光刻蚀系统、打印系统相连，传送系统上设有硅片定位系统，打印系统包括种子层打印系统、导电层打印系统，种子层打印系统包括多个打印模块A、以及设在打印模块A上的导电墨水供应器，导电层打印系统包括打多个印模块B、以及设在打印模块B上的导电墨水供应器，打印模块A连接的导电墨水供应器内设有导电墨水A，打印模块B连接的导电墨水供应器内设有导电墨水B，能得到高宽比高的细栅线，获得良好欧姆接触，提高栅线自身导电效率，降低浆料使用量，提高电池片的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳发电领域，具体涉及一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统及方法。
背景技术
随着工业发展以及人类活动的日趋活跃，人类对能源的消耗日趋增大，而地下非可再生资源日趋短缺，能源供需矛盾日益激化，能源问题已成为影响人类生存和发展的关键问题之一，与风力发电、海洋发电、生物智能发电等许多可再生能源相比，太阳能光伏发电具有清洁性、安全性、广泛性、无噪音、无污染、能量随处可得、无需消耗燃料、无机械传动部件、维护简单、可以无人值守、建设周期短、规模大小随意、并可与建筑相结合等诸多优点。太阳能电池是利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的半导体器件，通过电池片间串联、封装、并联等形式组装成所需要的电压、电流和功率，目前广泛应用的是成本低廉发电效率表现好的晶体硅太阳能电池片。
目前，晶体硅太阳能电池片分为多晶硅电池片、单晶硅电池片，常规的太阳能电池生产工艺流程为清洗制绒、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃、减反射制膜、丝网印刷、烘干烧结以及检测分级。其中，清洗制绒工序主要作用是清除表面油污和金属杂质，去除硅片表面的切割损坏层，在硅片表面制绒，在硅片表面形成3-6微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收，降低表面反射率；镀减反射膜主要是等离子增强化学气相沉淀，制作减少硅片表面反射的SiN薄膜，薄膜厚度大于80nm；丝网印刷工序主要是完成背场、背面电极、正面栅线、正面电极，以便引出产生的光生电流；然后进入烘干和烧结工序，烘干金属浆料，并将其中的添加剂挥发，在背面形成铝硅背场、银铝合金背面电极，以制作良好的背接触，铝硅合金过程其实是一个对硅进行P掺杂的过程，需要加热到铝硅共熔点577℃以上，经过合金化后，随着温度的下降，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，它补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的P层，达到了消除背结的目的，同时在正面形成银硅合金，形成良好的接触和遮光率，银浆料中的玻璃添加剂在高温(约700℃)下烧穿SiN膜，使得银金属接触硅片表面，在银硅共熔点760℃以上进行合金化。
硅电池片正电极图形采用的设计由多条主栅和多条与之垂直的副栅线，主栅之间互相平行，副栅线之间也互相平行。目前工业化晶体硅太阳电池的电极制备主要采用丝网印刷方式，受浆料特性和网版开孔的制约电极细栅线宽度很难低于70um，细栅线的高度也很难提高，细栅线高宽比一般低于0.4。丝网印刷所用银浆主要由银粉、玻璃粉和有机相组成，其与硅片的欧姆接触较难改善，从而影响电池片填充因子和短路电流的提高；银浆自身的导电率也比较低；而且实际生产中丝网印刷在刮板的作用下，硅片受力，容易产生隐裂等问题，影响电池片的成片率；丝网印刷网版还会导致的粗线、断栅、虚印、结点、浆料沾污等印刷不良，这些不良是影响电池片良品率的一个重要因素。
发明内容
为克服所述不足，本发明的目的在于提供一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统及方法，能得到高宽比高的细栅线，获得良好欧姆接触，提高栅线自身导电效率，降低浆料使用量，提高电池片的良品率。
本发明具有以下有益效果：一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，包括传动机构、硅片定位系统、激光刻蚀系统、打印系统、控制系统，所述控制系统分别与传动机构、硅片定位系统、激光刻蚀系统、打印系统相连，所述传送系统上设有硅片定位系统，所述打印系统包括种子层打印系统、导电层打印系统，所述种子层打印系统包括多个打印模块A、以及设在打印模块A上的导电墨水供应器，所述导电层打印系统包括打多个印模块B、以及设在打印模块B上的导电墨水供应器，所述激光刻蚀系统、打印模块A、打印模块B依次排列在传送机构上方，所述打印模块A和打印模块B上沿垂直于传送结构方向并排设有多个打印头，所述打印头上均匀设有一排打印喷头；
所述打印模块A连接的导电墨水供应器内设有导电墨水A，所述导电墨水A含有以下质量份的：25-55nm镍粉35-50、25-55nm铜粉20-45、25-55nm银粉5-10，有机载体15-20，自靠近激光刻蚀系统起，与打印模块A相连的导电墨水供应器内的导电墨水A中镍粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加；
所述打印模块B连接的导电墨水供应器内设有导电墨水B，所述导电墨水B含有以下质量份的：70-100nm银粉35-40、25-55nm银粉5-10、5-55nm铜粉5-10、玻璃粉3-6，其余为有机载体15-20，自靠近打印模块A起，与打印模块B相连的导电墨水供应器6内的导电墨水A中玻璃粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加。
进一步，所述打印模块A、打印模块B上的各打印头之间的距离可调。
进一步，所述有机载体包括pH调节剂、表面张度剂、粘结剂。
一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的方法，包括：
步骤D1：根据需要设定控制系统，控制系统通过调节激光系统，控制硅片表面细栅线的位置、宽度以及刻槽深度；
步骤D2：将已镀减反射膜的硅片利用激光刻蚀系统，在硅片表面刻蚀出表面平整的刻槽；
步骤D3：根据需要设定控制系统，通过每个打印模块A、每个打印模块B中打印头的数量和各打印头之间的距离，与步骤D1中产生的刻槽相匹配，并调节打印模块A、打印模块B的打印头中喷嘴数量；
步骤D4：将导电墨水A通过打印模块A的喷嘴，自激光刻蚀系统起依次喷射到刻槽中，形成种子层，可通过控制相邻打印模块A中打印头的喷嘴数量进行调节种子层的镍粉、铜粉以及银粉含量，使种子层接触硅片的部分镍粉含量高；
步骤D5：将导电墨水B通过打印模块B的喷嘴，自打印模块A起依次喷射到种子层上面，形成导电层，可通过控制相邻打印模块B中打印头的喷嘴数量进行调节种子层的铜粉以及银粉含量；
步骤D6：进入烘干烧结炉进行烧结。
本发明的有益效果：先利用激光刻蚀技术在硅片表面刻蚀出刻槽，利用喷墨3D打印技术，将种子层和导电层分层次的打印在刻槽内，使种子层和硅片更好的接触，获得良好欧姆接触，并能获得良好的导电率；同时可以不利用墨水中的玻璃粉烧蚀减反射膜层，有效降低烧结温度，并减少墨水中的玻璃粉含量，有效的提高了种子层和导电层的导电率，有效提高电池片的转换效率；可以根据设计情况自由的调节，按需供应墨水，并可以得到高宽比高的细栅线，降低浆料使用量；喷墨打印不使用网版和刮刀等直接接触硅片的设备，有效降低了硅片碎片率，并避免了丝网印刷网版还会导致的粗线、断栅、虚印、结点、浆料沾污等印刷不良，提高电池片的良品率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明工作状态示意图。
图3为本发明硅片结构示意图。
图中1传动机构，2控制系统，3激光刻蚀系统，4种子层打印系统，41打印模块A，5导电层打印系统，51打印模块B，6导电墨水供应器，7硅片，71刻槽，72种子层，73导电层，8打印头。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
根据图1、图2、图3所示的一种实现上述喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，包括传动机构1、硅片定位系统、激光刻蚀系统3、打印系统、控制系统2，所述控制系统2分别与传动机构1、硅片定位系统、激光刻蚀系统3、打印系统相连，所述传送系统1上设有硅片定位系统，所述打印系统包括种子层打印系统4、导电层打印系统5，所述种子层打印系统4包括多个打印模块A41、以及设在打印模块A41上的导电墨水供应器6，所述导电层打印系统5包括打多个印模块B51、以及设在打印模块B51上的导电墨水供应器6，所述激光刻蚀系统3、打印模块A41、打印模块B51依次排列在传送机构1上方，所述打印模块A41和打印模块B51上沿垂直于传送结构1方向并排设有多个打印头8，所述打印头8上均匀设有一排打印喷头；
所述打印模块A41连接的导电墨水供应器6内设有导电墨水A，所述导电墨水A含有以下质量份的：25-55nm镍粉35-50、25-55nm铜粉20-45、25-55nm银粉5-10，有机载体15-20，自靠近激光刻蚀系统3起，与打印模块A41相连的导电墨水供应器6内的导电墨水A中镍粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加；
所述打印模块B51连接的导电墨水供应器6内设有导电墨水B，所述导电墨水B含有以下质量份的：70-100nm银粉35-40、25-55nm银粉5-10、5-55nm铜粉5-10、玻璃粉3-6，其余为有机载体15-20，自靠近打印模块A41起，与打印模块B51相连的导电墨水供应器6内的导电墨水A中玻璃粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加。
进一步，所述打印模块A41、打印模块B51上的各打印头8之间的距离可调。
进一步，所述有机载体包括pH调节剂、表面张度剂、粘结剂。
一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的方法，包括：
步骤D1：根据需要设定控制系统2，控制系统2通过调节激光系统3，控制硅片7表面细栅线的位置、宽度以及刻槽71深度；
步骤D2：将已镀减反射膜的硅片7利用激光刻蚀系统3，在硅片7表面刻蚀出表面平整的刻槽71，去掉硅片7表面的减反射层，将硅片7表面的倒金字塔形绒面结构刻蚀平整，防止喷墨喷射到硅片7表面时，随倒金字塔绒面结构的沟槽扩散，不利于栅线的形成；
步骤D3：根据需要设定控制系统2，通过每个打印模块A41、每个打印模块B51中打印头8的数量和各打印头8之间的距离，与步骤D1中产生的刻槽71相匹配，并调节打印模块A41、打印模块B51的打印头8中喷嘴数量，来控制种子层72和导电层73的厚度、种子层72中墨水A的层数以及导电层73中墨水B的层数；
步骤D4：将导电墨水A通过打印模块A41的喷嘴，自激光刻蚀系统3起依次喷射到刻槽71中，形成种子层72，可通过控制相邻打印模块A41中打印头8的喷嘴数量进行调节种子层的镍粉、铜粉以及银粉含量，使种子层72接触硅片7的部分镍粉含量高，容易跟硅片7形成良好的欧姆接触，而种子层72中接触导电层73部分的成分更接近导电层73的成分，有利于烧结时硅片7与种子层72、种子层72与导电层73之间的层间结合；
步骤D5：将导电墨水B通过打印模块B51的喷嘴，自打印模块A51起依次喷射到种子层72上面，形成导电层73，可通过控制相邻打印模块B51中打印头8的喷嘴数量进行调节种子层的铜粉以及银粉含量，使导电层73接近种子层72部分的成分更接近种子层72的成分，有利于烧结时层间结合，而远离种子层72的部分铜粉和银粉含量更高，有效提高细栅线的导电率；
步骤D6：进入烘干烧结炉进行烧结，烧结温度120-200℃。
本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (4)
1.一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，包括传动机构、硅片定位系统，其特征在于：还包括激光刻蚀系统、打印系统、控制系统，所述控制系统分别与传动机构、硅片定位系统、激光刻蚀系统、打印系统相连，所述传送系统上设有硅片定位系统，所述打印系统包括种子层打印系统、导电层打印系统，所述种子层打印系统包括多个打印模块A、以及设在打印模块A上的导电墨水供应器，所述导电层打印系统包括打多个印模块B、以及设在打印模块B上的导电墨水供应器，所述激光刻蚀系统、打印模块A、打印模块B依次排列在传送机构上方，所述打印模块A和打印模块B上沿垂直于传送结构方向并排设有多个打印头，所述打印头上均匀设有一排打印喷头；
所述打印模块A连接的导电墨水供应器内设有导电墨水A，所述导电墨水A含有以下质量份的：25-55nm镍粉35-50、25-55nm铜粉20-45、25-55nm银粉5-10，有机载体15-20，自靠近激光刻蚀系统起，与打印模块A相连的导电墨水供应器内的导电墨水A中镍粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加；
所述打印模块B连接的导电墨水供应器内设有导电墨水B，所述导电墨水B含有以下质量份的：70-100nm银粉35-40、25-55nm银粉5-10、5-55nm铜粉5-10、玻璃粉3-6，其余为有机载体15-20，自靠近打印模块A起，与打印模块B相连的导电墨水供应器6内的导电墨水A中玻璃粉的质量份降低，银粉和铜粉的质量份增加。
2.根据权利要求1所述的一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，其特征在于：所述打印模块A、打印模块B上的各打印头之间的距离可调。
3.根据权利要求1所述的一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的系统，其特征在于：所述有机载体包括pH调节剂、表面张度剂、粘结剂。
4.一种喷墨3D打印制备太阳能电池电极的方法，其特点在于，包括：
步骤D1：根据需要设定控制系统，控制系统通过调节激光系统，控制硅片表面细栅线的位置、宽度以及刻槽深度；
步骤D2：将已镀减反射膜的硅片利用激光刻蚀系统，在硅片表面刻蚀出表面平整的刻槽；
步骤D3：根据需要设定控制系统，通过每个打印模块A、每个打印模块B中打印头的数量和各打印头之间的距离，与步骤D1中产生的刻槽相匹配，并调节打印模块A、打印模块B的打印头中喷嘴数量；
步骤D4：将导电墨水A通过打印模块A的喷嘴，自激光刻蚀系统起依次喷射到刻槽中，形成种子层，可通过控制相邻打印模块A中打印头的喷嘴数量进行调节种子层的镍粉、铜粉以及银粉含量，使种子层接触硅片的部分镍粉含量高；
步骤D5：将导电墨水B通过打印模块B的喷嘴，自打印模块A起依次喷射到种子层上面，形成导电层，可通过控制相邻打印模块B中打印头的喷嘴数量进行调节种子层的铜粉以及银粉含量；
步骤D6：进入烘干烧结炉进行烧结。
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