CN110335903A - 一种匀化直写太阳能电池电极的方法 - Google Patents
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Abstract
一种匀化直写太阳能电池电极的方法，属于先进制造技术领域。该方法基于匀化直写装置实现，装置包括压力活塞杆、电极浆料喷腔、匀化装置和运动控制模块。首先推动压力活塞杆，对电极浆料喷腔内的电极浆料施加机械压力使其流出喷孔，形成粘弹性线状浆料；同时使用匀化装置对电极浆料喷腔内部喷孔入口处的电极浆料进行匀化处理，使电极浆料体系保持均匀稳定；最后在重力牵引下，线状浆料粘附硅基底上，随喷孔和硅基底的相对运动，形成太阳能电池电极结构。本发明可以制备微米线宽、大高宽比、尺寸形貌均匀的太阳能电池电极结构，非接触式的成形工艺能够减少电极浆料和硅材料消耗，降低成本；对电极浆料进行匀化分散，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方法。
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，本发明提供一种匀化直写太阳能电池电极的方法。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方法，采用匀化直写方法制备太阳能电池电极，实现太阳能电池电极的直写成形。该方法基于匀化直写装置实现，所述的匀化直写装置包括压力供给模块、匀化分散模块和运动控制模块，具体包括以下步骤：
首先，在电极浆料喷腔2内部注入电极浆料3；压力活塞杆1位于电极浆料喷腔2内，与电极浆料3上表面接触，由微量注射泵提供机械推力，可产生200-1500kPa的压力。在电极浆料喷腔2底部加工一个喷孔。电极浆料3受压力从喷孔处挤出时，能够直接形成粘弹性线状浆料5，粘弹性线状浆料5的尺寸与喷孔尺寸相同。另外，在电极浆料喷腔2内放置匀化装置4，对电极浆料喷腔2内部喷孔入口处的电极浆料3进行匀化分散。电极浆料喷腔2放置于太阳能电池硅基底6上方，由三轴运动平台7的纵向位移轴承载，采用电极浆料喷腔2运动、硅基底6固定的方式实现喷孔纵向高度调节。
其次，推动压力活塞杆1，对存储于电极浆料喷腔2内的电极浆料3施加机械压力，使其以10-300mm/s的速度流出喷孔，形成粘弹性线状浆料5；同时开启匀化装置4，对电极浆料喷腔2内部喷孔入口处的电极浆料3进行匀化分散，使浆料体系保持均匀稳定。所述的喷孔为特征尺寸为10-50μm的喷孔。
最后，在重力牵引下，粘弹性线状浆料5粘附在太阳能电池硅基底6上，太阳能电池硅基底6由三轴运动平台7的水平向位移台承载，采用硅基底6运动、电极浆料喷腔2固定的方式实现水平图形化运动。在太阳能电池硅基底6和喷孔的牵引拉伸作用下，粘弹性线状浆料5尺寸进一步降低。按照太阳能电池电极图形设定运动轨迹，通过三轴运动平台7驱动太阳能电池硅基底6与电极浆料喷腔2产生相对运动，最终在太阳能电池硅基底6表面形成微米线宽、尺寸形貌均匀一致的太阳能电池电极结构。
所述的太阳能电池电极结构微米线宽为5-50μm，高宽比为0.5-1.0。
所述的电极浆料3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。
所述的匀化直写装置具体为：
所述的压力供给模块包括压力活塞杆1和电极浆料喷腔2，压力活塞杆1位于电极浆料喷腔2内部，给电极浆料喷腔2内的电极浆料3提供机械推力。所述的电极浆料喷腔2为耐高压密封腔，底部加工喷孔，用于存储、向外输送电极浆料3；所述的电极浆料3为粘稠流体，其受压力从喷孔处喷出时，可直接形成微米特征尺寸的粘弹性线状浆料5。
所述的匀化分散模块包括匀化装置4及附属驱动夹持装置，匀化装置4为机械搅拌、磁力搅拌或超声分散装置，置于电极浆料喷腔2内部，用于对喷孔附近的电极浆料3进行匀化分散，使进入喷孔的电极浆料3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为三轴运动平台7及其控制装置，三轴运动平台7控制太阳能电池硅基底6与电极浆料喷腔2的相对运动，实现粘弹性线状浆料5的水平图形化运动以及二者的纵向高度调节。具体的：所述的三轴运动平台7包括水平位移台和纵向位移轴，水平位移台承载太阳能电池硅基底6，采用硅基底6运动、电极浆料喷腔2固定的方式实现水平图形化运动；电极浆料喷腔2置于太阳能电池硅基底6上方，纵向位移台承载电极浆料喷腔2，采用电极浆料喷腔2运动、硅基底6固定的方式实现喷孔纵向高度调节。装置使用过程中，电极浆料喷腔2与硅基底6的相对运动速度比银浆料的挤出速度快0-10mm/s，喷腔喷孔到硅基底6之间的高度为1-100mm。
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0.5-1.0、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，本发明对电极浆料进行实时匀化分散，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为匀化直写太阳能电池电极工艺过程示意图。
图中：1压力活塞杆，2电极浆料喷腔，3电极浆料，4匀化装置，5粘弹性线状浆料，6太阳能电池硅基底，7三轴运动平台。
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、匀化分散模块、运动控制模块以及所需耗材几部分组成。
所述的压力供给模块包括压力活塞杆1和电极浆料喷腔2，电极浆料喷腔内为电极浆料3。所述的压力活塞杆1位于电极浆料喷腔2内，由微量注射泵提供机械推力，可产生200-1500kPa的压力；所述的电极浆料喷腔2为直径20mm的聚乙烯透明筒，筒底部距中心5mm处加工有一个直径50μm的圆形喷孔，内部注满电极浆料3，用活塞密封；所述的电极浆料3为固含量85wt％，粘度230Pa·s的银浆料，其受压力从喷孔处挤出时，可直接形成直径50μm的粘弹性线状银浆5。
所述的匀化分散模块即为匀化装置4。所述的匀化装置4采用磁力搅拌装置，将磁性搅拌子放入电极浆料喷腔2内，磁性搅拌子在外部磁极的驱动作用下转动，对电极浆料3实施匀化分散，转速设定为50r/min。
所述的运动控制模块为三轴运动平台7及其控制装置。所述的三轴运动平台7包括水平位移台和纵向位移轴。水平位移台承载太阳能电池硅基底6，采用硅基底6运动、电极浆料喷腔2固定的方式实现水平图形化运动；纵向位移台承载电极浆料喷腔2，采用电极浆料喷腔2运动、硅基底6固定的方式实现喷孔纵向高度调节。
采用上述技术方案进行太阳能电池电极的直写成形，包括以下步骤：
首先将电极浆料喷腔2内放入磁性搅拌子，注入电极浆料3，喷腔尾部用压力活塞杆1密封。然后，将电极浆料喷腔2安装在微量注射泵内，启动微量注射泵推动压力活塞杆1，对电极浆料喷腔2内的电极浆料3施加外部压力，使电极浆料3以一定速度流出喷孔，形成直径50μm的粘弹性线状浆料5；同时启动匀化装置4，驱动磁性搅拌子转动，对喷孔入口处的电极浆料进行匀化分散，使浆料体系保持均匀稳定；最后，在重力的牵引下，线状浆料5粘附硅基底6上，在喷孔与硅基底的相对运动过程中，线状浆料5在硅基底和喷孔的牵引拉伸作用下尺寸进一步降低。在银浆料的挤出速度为60mm/s时，设定电极浆料喷腔2与硅基底6的相对运动速度为65mm/s，喷腔喷孔到硅基底6之间的高度为10mm。按照太阳能电池电极图形设定硅基底运动轨迹，驱动硅基底运动，最终形成线宽30-50μm，高宽比为0.90、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 (6)
1.一种匀化直写太阳能电池电极的方法，其特征在于，该方法基于匀化直写技术制备太阳能电池电极，实现太阳能电池电极的直写成形；该方法基于匀化直写装置实现，所述的匀化直写装置包括压力供给模块、匀化装置(4)和运动控制模块，压力供给模块包括压力活塞杆(1)和电极浆料喷腔(2)，运动控制模块为三轴运动平台(7)及其控制装置，具体包括以下步骤：
首先，在电极浆料喷腔(2)内部注入电极浆料(3)；压力活塞杆(1)位于电极浆料喷腔(2)内，与电极浆料(3)上表面接触，由微量注射泵提供机械推力；在电极浆料喷腔(2)底部加工喷孔；电极浆料(3)受压力从喷孔处挤出时，能够直接形成粘弹性线状浆料(5)，粘弹性线状浆料(5)的尺寸与喷孔尺寸相同；另外，在电极浆料喷腔(2)内放置匀化装置(4)；电极浆料喷腔(2)放置于太阳能电池硅基底(6)上方，由三轴运动平台(7)的纵向位移轴承载，采用电极浆料喷腔(2)运动、硅基底(6)固定的方式实现喷孔纵向高度调节；
其次，推动压力活塞杆(1)，对存储于电极浆料喷腔(2)内的电极浆料(3)施加机械压力，使其以10-300mm/s的速度流出喷孔，形成粘弹性线状浆料(5)；同时开启匀化装置(4)，对电极浆料喷腔(2)内部喷孔入口处的电极浆料(3)进行匀化分散，使浆料体系保持均匀稳定；
最后，在重力牵引下，粘弹性线状浆料(5)粘附在太阳能电池硅基底(6)上，太阳能电池硅基底(6)由三轴运动平台(7)的水平向位移台承载，采用硅基底(6)运动、电极浆料喷腔(2)固定的方式实现水平图形化运动；在太阳能电池硅基底(6)和喷孔的牵引拉伸作用下，粘弹性线状浆料(5)尺寸进一步降低；按照太阳能电池电极图形设定运动轨迹，通过三轴运动平台(7)驱动太阳能电池硅基底(6)与电极浆料喷腔(2)产生相对运动，最终在太阳能电池硅基底(6)表面形成微米线宽、尺寸形貌均匀一致的太阳能电池电极结构；
装置使用过程中，电极浆料喷腔(2)与太阳能电池硅基底(6)的相对运动速度比弹性线状浆料(5)的挤出速度快0-10mm/s，喷腔喷孔到硅基底(6)之间的高度为1-100mm。
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方法，其特征在于，所述的太阳能电池电极结构微米线宽为5-50μm，高宽比为0.5-1.0。
3.根据权利要求1所述的一种匀化直写太阳能电池电极的方法，其特征在于，所述的喷孔为特征尺寸为10-50μm的喷孔。
4.根据权利要求1所述的一种匀化直写太阳能电池电极的方法，其特征在于，所述的电极浆料(3)为固含量70-95wt％、粘度150-500Pa·s的金属基导电浆料。
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方法，其特征在于，所述的电极浆料(3)优选为固含量85wt％，粘度230Pa·s的银浆料。
6.根据权利要求1所述的一种匀化直写太阳能电池电极的方法，其特征在于，所述的匀化装置(4)包括机械搅拌、磁力搅拌或超声分散装置，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。
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