CN110233181B - 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
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 (4)
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；所述的注射泵(2)为机械螺杆泵，流量设定为10μL/min；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)；电极浆料以10-300mm/s速度流出喷头喷孔；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；所述的电极浆料为固含量85wt％，粘度250Pa·s的银浆料；
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。
4.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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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