CN110233181A - 一种匀化直写太阳能电池电极的装置 - Google Patents

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Abstract

一种匀化直写太阳能电池电极的装置,属于先进制造技术领域。包括压力供给模块、喷头模块、运动控制模块以视觉模块。压力供给模块包括注射泵和电极浆料喷腔;喷头模块包括过渡槽、位于过渡槽下端的匀化装置及附属驱动夹持装置;运动控制模块包括X‑Y运动平台、Z位移轴及其控制装置;视觉模块包括工业摄像机、上位机以及附属照明装置。本发明采用直写成形的方式制备太阳能电池电极,可以制备线宽50μm以下、高宽比0.5以上、形貌均匀性好的电极结构,有利于提高太阳能电池的光电转化效率;同时,其非接触式的成形工艺,减少电极浆料和硅材料消耗,有利于降低太阳能电池制造成本;对电极浆料进行实时搅拌,能避免喷孔堵塞,保障电极成形过程的稳定进行。

Description

一种匀化直写太阳能电池电极的装置
技术领域
本发明属于先进制造技术领域,涉及一种匀化直写太阳能电池电极的装置。
背景技术
太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能,是清洁能源的重要来源。目前,晶体硅太阳能电池发展最成熟。常规晶体硅太阳能电池主要由硅基底、正面电极和背面电极组成。当太阳光照射到硅基底的PN结时,激发PN结附近的电子跃迁,产生空穴-电子对,电子由正面电极收集,空穴向背面电极运动,将正面电极和背面电极接入电路,即形成电流。
电极是太阳能电池的关键结构,主要为线宽100μm以下的阵列格栅结构。电极的形貌,包括线宽、高宽比、均匀性等,对太阳能电池光电转化效率具有重要影响。一方面,为了减少电极对太阳光的遮挡,要求电极线宽要小;另一方面,为了减少电流在传导过程中的损耗,要求电极电阻要小。为了满足上述条件,电极线宽要小,高宽比要大。
目前普遍采用丝网印刷技术制备太阳能电池电极,得到的电极线宽在50μm以上,高宽比在0.5以下,电极栅线表面也存在起伏不均的问题。这样的电极形貌严重限制了太阳能电池光电转化效率的进一步提升。此外,由于是网版印刷,会导致电极浆料粘结在网版上,造成不必要的电极浆料损耗。而且,由于是接触式印刷,为了减小碎片率,硅基底厚度无法进一步降低,限制了太阳能电池制造成本的降低。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足,提供一种匀化直写太阳能电池电极的装置。利用机械力将电极浆料输送至喷腔内,在喷腔内前端对电极浆料进行实时匀化,保证电极浆料高稳定、高均匀和高分散,进而在机械力和匀化协同作用下,稳定直写出线状电极,实现太阳能电池电极的直写成形,减小线宽和提高高宽比,提高电池效率。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种匀化直写太阳能电池电极的装置,该装置基于直写成形技术制备太阳能电池电极,能够形成线宽5-50μm,高宽比0.5-1.0、形貌均匀一致的太阳能电池电极结构。该装置包括压力供给模块、喷头模块、运动控制模块以及视觉模块四部分。
所述的压力供给模块包括注射泵2和电极浆料喷腔3,喷腔内为电极浆料4。电极浆料喷腔3尾部有压力活塞杆,压力活塞杆顶部与注射泵2接触,底部与电极浆料喷腔3内的电极浆料4上表面接触。所述的注射泵2为机械螺杆泵,流量控制范围为1-1000μL/min,其垂直安装于Z位移轴1上。所述的电极浆料喷腔3为耐高压密封筒,头部为与喷头模块5连接的螺纹结构。将电极浆料喷腔3安装在注射泵2上,注射泵2的推力通过压力活塞杆作用于喷腔内的电极浆料4,实现压力供给和流量控制;电极浆料4受压力从喷头模块5喷孔处挤出时,可直接形成微米级的粘弹性线状浆料6。所述的电极浆料4为固含量70-95wt%、粘度 150-500Pa·s的金属基导电浆料。优选为固含量85wt%,粘度230Pa·s的银浆料。
所述的喷头模块5包括过渡槽11、位于过渡槽11下端的匀化装置12、附属驱动夹持装置。所述的过渡槽11为透明塑料材质,上端与电极浆料喷腔3紧密连接,下端加工有一个或多个特征尺寸为10-50μm的喷孔,作用是将电极浆料4过渡成为特征尺寸10-50μm的粘弹性线状浆料6。所述的匀化装置12为机械搅拌、磁力搅拌或超声分散装置,置于过渡槽11下端,用于对喷孔附近的电极浆料4进行匀化分散,使进入喷孔的电极浆料4成分保持均匀稳定。装置使用过程中,机械搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;磁力搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;超声分散装置的频率为20-40kHz,功率为50-500W。
所述的运动控制模块包括X-Y运动平台8、Z位移轴1及其控制装置。所述的X-Y运动平台8承载固定太阳能电池硅基底7,实现喷头模块5和太阳能电池硅基底7的水平图形化相对运动;所述的Z位移轴1承载压力供给模块和喷头模块5,实现喷头模块5和太阳能电池硅基底7的纵向间距调节。
所述的视觉模块包括工业摄像机9、上位机10以及附属照明装置。所述的工业摄像机9 对准喷头模块5和太阳能电池硅基底7,实时监测直写成形过程;所述的上位机10一方面显示、记录工业摄像机9的观测图像,另一方面控制X-Y运动平台8和Z位移轴1的运动。
采用上述装置能够实现太阳能电池电极的直写成形,包括以下步骤:
首先启动注射泵2,对电极浆料喷腔3内的电极浆料4施加压力,使其流入喷头模块5;随后,电极浆料4以10-300mm/s速度流出喷头喷孔,形成粘弹性线状浆料6。同时启动匀化装置,对喷头模块5内的电极浆料4进行匀化分散,使电极浆料4体系保持均匀稳定;最后调节Z位移轴1至合适高度,在重力的牵引下,线状粘弹性线状浆料6粘附硅基底7上,驱动X-Y运动平台8使喷头模块5与硅基底7产生图形化运动,形成线宽5-50μm,高宽比0.5-1.0、形貌均匀一致的太阳能电池电极结构。
本发明的有益效果为:采用直写成形的方式制备太阳能电池电极,可以制备线宽50μm 以下、高宽比0.5以上、形貌均匀性好的电极结构,有利于提高太阳能电池的光电转化效率;同时,其非接触式的成形工艺,减少了电极浆料和硅材料消耗,有利于降低太阳能电池制造成本;最后,相比于其它非接触式成形工艺,本发明对电极浆料进行实时搅拌,可以避免喷孔堵塞,保障了电极成形过程的稳定进行。
附图说明
图1为太阳能电池电极匀化直写装置示意图。
图2为喷头模块5结构示意图。
图中:1 Z位移轴;2注射泵;3电极浆料喷腔;4电极浆料;5喷头模块;6粘弹性线状浆料;7太阳能电池硅基底;8 X-Y运动平台;9工业摄像机;10上位机;11过渡槽,12匀化装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例主要由压力供给模块、喷头模块、运动控制模块以及视觉模块四部分组成。
所述的压力供给模块包括注射泵2和电极浆料喷腔3。所述的注射泵2为机械螺杆泵,流量设定为10μL/min,其垂直安装于Z位移轴1上;所述的电极浆料喷腔3为聚乙烯密封筒,内部装有电极浆料4,尾部为压力活塞杆,头部为与喷头模块5连接的螺纹结构。将电极浆料喷腔3安装在注射泵2上,注射泵2的推力通过压力活塞杆作用于电极浆料喷腔3内的电极浆料4,实现压力供给和流量控制;所述的电极浆料4为固含量85wt%,粘度250Pa·s的银浆料,其受压力从喷孔处挤出时,可直接形成粘弹性线状银浆。
所述的喷头模块5,包括过渡槽11和匀化装置12。所述的过渡槽11为聚乙烯材质,外径12mm,内径9mm。上端与电极浆料喷腔3紧密连接,下端加工有一个直径50μm的圆形喷孔,作用是将电极浆料4过渡成为直径50μm的粘弹性线状浆料6;所述的匀化装置12为磁力搅拌装置,位于电极浆料喷腔3下端,包括搅拌子和外磁体以及附属驱动夹持装置。搅拌子为7×3×3mm长方体钕铁硼强磁体,长度方向充磁,位于过渡槽11内部喷孔处,搅拌子受外磁体的磁力驱动实现转动,进而对喷孔附近的银浆料进行搅拌分散;外磁体为内径 16mm、外径25mm、厚度4mm的环形钕铁硼强磁体,径向充磁,套在过渡槽11外,以过渡槽11的轴线为轴转动。其由轴承和轴承座固定在Z位移轴上,保持与过渡槽11的相对位置不变。外磁体由12V直流电机驱动,转速设定为50r/min。
所述的运动控制模块由X-Y运动平台8、Z位移轴1及其控制装置和控制软件组成。所述的X-Y运动平台8由两根电控滚珠丝杆位移轴组成,最大行程200mm。其承载固定太阳能电池硅基底7,实现喷头模块5和太阳能电池硅基底7的水平图形化运动;所述的Z位移轴1为单根电控滚珠丝杆位移轴,最大行程200mm。其承载这压力供给模块和喷头模块5,实现喷头模块5和太阳能电池硅基底7的纵向间距调节。
所述的视觉模块包括工业摄像机9、上位机10以及附属照明装置、显示软件。所述的工业摄像机9对准喷头模块5和太阳能电池硅基底7,实时监测直写成形过程;所述的上位机 10一方面显示、记录工业摄像机9的观测图像,另一方面控制X-Y运动平台8和Z位移轴1的运动。
采用上述装置实现太阳能电池电极的直写成形,包括以下步骤:
首先启动注射泵2,对电极浆料喷腔3内的电极浆料4施加压力,使其流入喷头模块5;随后,银浆料4流出喷头喷孔,形成粘弹性线状浆料6。同时启动匀化装置12,对喷头模块5内的银浆料4进行匀化分散,使银浆料4体系保持均匀稳定;最后调节Z位移轴1至合适高度,在重力的牵引下,线状粘弹性线状浆料6粘附硅基底7上,驱动X-Y运动平台8使喷头模块5与硅基底7产生图形化相对运动,形成线宽30-50μm,高宽比约0.9、形貌均匀一致的太阳能电池电极结构。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式,但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种匀化直写太阳能电池电极的装置,其特征在于,所述的装置基于直写成形技术制备太阳能电池电极,能够形成线宽5-50μm,高宽比0.5-1.0、形貌均匀一致的太阳能电池电极结构;该装置包括压力供给模块、喷头模块、运动控制模块以及视觉模块四部分;
所述的压力供给模块包括注射泵(2)和电极浆料喷腔(3),电极浆料喷腔(3)内为电极浆料(4);所述的注射泵(2)垂直安装于Z位移轴(1)上;所述的电极浆料喷腔(3)尾部设有压力活塞杆,压力活塞杆顶部与注射泵(2)接触,底部与电极浆料(4)上表面接触;电极浆料喷腔(3)头部为与喷头模块(5)连接的螺纹结构;注射泵(2)的推力通过压力活塞杆作用于喷腔内的电极浆料(4),实现压力供给和流量控制;电极浆料(4)受压力从喷头模块(5)喷孔处挤出时,可直接形成微米级的粘弹性线状浆料(6);所述的电极浆料(4)为固含量70-95wt%、粘度150-500Pa·s的金属基导电浆料;
所述的喷头模块(5)包括过渡槽(11)、匀化装置(12)、附属驱动夹持装置;所述的过渡槽(11)为透明塑料材质,上端与电极浆料喷腔(3)紧密连接,下端加工有一个或多个特征尺寸为10-50μm的喷孔,用于将电极浆料(4)过渡成为特征尺寸10-50μm的粘弹性线状浆料(6);所述的匀化装置(12)为机械搅拌、磁力搅拌或超声分散装置,置于过渡槽(11)下端,用于对喷孔附近的电极浆料(4)进行匀化分散,使进入喷孔的电极浆料(4)成分保持均匀稳定;
所述的运动控制模块包括X-Y运动平台(8)、Z位移轴(1)及其控制装置;所述的X-Y运动平台(8)承载固定太阳能电池硅基底(7),实现喷头模块(5)和太阳能电池硅基底(7)的水平图形化相对运动;所述的Z位移轴(1)承载压力供给模块和喷头模块(5),实现喷头模块(5)和太阳能电池硅基底(7)的纵向间距调节;
所述的视觉模块包括工业摄像机(9)、上位机(10)以及附属照明装置;所述的工业摄像机(9)对准喷头模块(5)和太阳能电池硅基底(7),实时监测直写成形过程;所述的上位机(10)用于显示、记录工业摄像机(9)的观测图像的同时,控制X-Y运动平台(8)和Z位移轴(1)的运动。
2.根据权利要求1所述的一种匀化直写太阳能电池电极的装置,其特征在于,所述的注射泵(2)为机械螺杆泵,流量控制范围为1-1000μL/min。
3.根据权利要求1或2所述的一种匀化直写太阳能电池电极的装置,其特征在于,所述的电极浆料(4)优选为固含量85wt%,粘度230Pa·s的银浆料。
4.根据权利要求1或2所述的一种匀化直写太阳能电池电极的装置,其特征在于,所述的机械搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;磁力搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;超声分散装置的频率为20-40kHz,功率为50-500W。
5.根据权利要求3所述的一种匀化直写太阳能电池电极的装置,其特征在于,所述的机械搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;磁力搅拌装置的转速调节范围为20-1000r/min;超声分散装置的频率为20-40kHz,功率为50-500W。
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