CN110660874A - 一种副栅电极及太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种副栅电极及太阳能电池，属于太阳能电池领域。本方案采用若干与太阳能电池主栅搭接的副栅，与对应主栅接触的副栅在垂直于太阳能电池平面的高度，在远离主栅的方向上呈线性/非线性的连续/分段降低。可以为连续线性的，如楔形的结构，也可以为连续的非线性的，如呈一个弧面进行下降，第三种可以为不连续的多层的梯形结构，梯形的上下平面可以水平，可以呈斜面设置，也可以形成如锐角的斜面，只要能保证副栅降低就可，保证其电特性，减少银浆的用量。

Description

一种副栅电极及太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，更具体地说，涉及一种副栅电极及太阳能电池。

背景技术

太阳电池是产生光生伏打效应(简称光伏效应)的半导体器件。太阳电池的外形及基本结构如图1。基本材料为衬底基片，多为P型单/多晶硅片，厚度为0.15—0.2mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN+结。在结区表面有栅状金属电极，如图2，粗而少的纵向排布栅状电极为主栅，细而密的横向排布栅状电极为副栅，另一面则为金属底电极。上下电极分别与N+区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着纳米级减反钝化膜层。当入射光照在电池表面时，光子穿过减反钝化膜层进入衬底基片中，能量大于禁带宽度的光子在N+区，PN+结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N+区，光生空穴留于P区，在PN+结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。

太阳电池两面通过金属电极传导接出，组件焊带再与前后两面电池片形成交叉焊接，并经过层压封装后链接负载，负载中就有功率输出。合理的电极接触设计可以达到降低串联电阻、提升电池效率等目的，其中位于结区表面的栅状主/副栅金属电极既要穿透覆盖减反钝化膜层，与结区形成牢固的接触，又要有优良的导电性、收集电流能力佳，接触电阻较小(应是一种欧姆接触)，同时遮挡面积小，因遮挡面积与入发射光子数正相关，近年的高效太阳电池遮挡面积一般小于5％。金属电极主栅直接将电流输到外部组件，需要与组件镀锡焊带紧密焊接在一起；而副栅线数量多，要求高而宽，价格不菲，是为了把整片电池的电流收集起来传递到主栅上去。

值得注意的是，太阳电池的主栅、副栅电极多采用银浆丝网印刷，银浆是电池片生产过程中最贵的辅料之一，在电池制造端非主料成本中，浆料成本占50％以上。而电池片生产用银浆又与传统银浆有较大的性能差别，存在技术垄断，导致导电银浆价格一直居高不下。因此降低主栅、副栅电极浆料的单片消耗量对成本控制大有帮助。

制造电极的方法主要有：真空蒸镀、化学镀、丝网印刷烧结、电镀技术等。丝网印刷烧结技术是近几年比较成熟和在商业化电池生产中大量被采用的工艺方法。太阳电池的主栅、副栅电极多采用丝网印刷工艺将电极浆料由网版挤压到衬底基片上塑形成型，然后经烘干烧结反应固化，与衬底基片形成牢固的化学原子键接触。但是丝网印刷烧结并不是太阳电池行业独有的工艺方式，在很多领域都有应用。在电池片生产环节中应用降低了工艺成本和原材料消耗，提高了可控性，也减小了环保审批压力。

为了提高副栅电极的导电性、电流收集能力，降低传导电阻，商业化电池生产中甚至多次引入丝网印刷栅状金属电极成型工艺，如二次印刷(Double printing)和分次印刷(Dual printing)技术。通过重复印刷副栅，以及主栅、副栅电极分印不同电极浆料的方式(如图3-6所示)，以垫高副栅高度，增加原有单次丝网印刷副栅高宽比，使传输路径传导横截面整体增加1.2～2倍，降低收集电流的沿途功率损耗；但这无疑沿远离主栅的X方向开始，浪费了约一半的副栅浆料单片消耗量，Y方向值由印刷方式、设计参数、网版、浆料匹配锁定不变。另一方面适当牺牲主栅高度以降低主栅用量，并采用低成本化主栅浆料分次搭配副栅使用；这样主栅、副栅的衔接处存在一高度差，并不利于后端组件焊带焊接平整，后续与主栅焊接区不便于紧密焊接在一起，有焊接粘连虚焊、露白等不良增多。

伴随传统丝网印刷工艺及其网版、浆料的性能提高，整合运用技术升级，当前商业化电池生产中副栅高度已接近20um，宽度也细化至约35um，高宽比逼近50％。随着丝网印刷烧结的改善空间接近饱和，需要进一步提升，目前有设计出现平面XY方向渐变式副栅(如图7)，沿传输路径传导横截面平面化渐进拓宽延展，以获得优良的导电性、提升电流收集能力并降低电流沿途功率损耗；如中国专利申请，申请号2017207487510，公开日2018年5月18日，公开了提供一种叠片太阳能电池正电极结构，包括叠片组件，叠片组件包括若干电池切片，电池切片的正极连接相邻电池切片的负极，电池切片的正极表面印刷主栅和若干副栅，相邻的副栅平行设置，主栅垂直连接在副栅的一个端部，副栅的宽度由远主栅端向近主栅端逐渐增加；该种叠片太阳能电池正电极结构，针对叠片电池的特殊性，副栅采用靠近主栅端较粗，远离主栅端，副栅较细，此设计晶体硅电池的栅线结构，能够根据电极栅线收集载流子的特性，降低了传输过程中的功率损失，大大提高了载流子的利用率。但这种方式逐渐增加了现有丝网印刷副栅横向宽度，对应Y值设计展宽，平面XY方向面积渐次加大，从而遮光面积增加，入射光子数降低，与高效太阳电池光遮挡面积趋向于减小相悖。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的栅极电极需要的浆料消耗大、成本高，主栅、副栅衔接困难，影响后续工艺的问题，本发明提供了一种副栅电极及太阳能电池，它可以实现避免了遮光损失，降低传导电阻，节省副栅浆料单片消耗量，降低钝化膜损失，后续生产不良率降低。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种副栅电极，包括若干与太阳能电池主栅搭接的副栅，副栅与对应主栅接触，在远离主栅的方向上，副栅的高度呈线性/非线性的连续/分段降低，副栅的高度是指副栅垂直于电池平面方向的高度。可以为连续线性的，如楔形的结构，也可以为连续的非线性的，如呈一个弧面进行下降，第三种可以为不连续的多层的梯形结构，梯形的上下平面可以水平，可以呈斜面设置，也可以形成如锐角的斜面，只要能保证副栅降低就可，保证其电特性，减少银浆的用量。

更进一步的，所述的副栅与主栅搭接部位的高度与主栅高度一致。这样可以保证电特性的良好，也保证了后续工艺的顺利进行。

更进一步的，所述的副栅垂直于太阳能电池板所在的截面呈楔形或阶梯形。这两种形态可以最优的保证电特性以及工艺的方便进行。

更进一步的，所述副栅在远离主栅的方向上的宽度一致或者不一致。宽度一致可以保证电特性良好，不一致，如同现有技术一样，副栅的宽度由远主栅端向近主栅端逐渐增加；可以保证载流子的效力，也可以保证银浆的减少。

一种太阳能电池，其特征在于，包括上述任一所述的副栅电极。只要是包含上述结构副栅电极的太阳能电池都可以降低成本，优化后续工艺。

更进一步的，包括若干条主栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅。可以保证足够多的电量的采集，对应采用的立体式的逐渐降低高度的副栅结构可以保证在平面上的面积充足，且传导电阻下降。

更进一步的，太阳能电池包括有衬底，衬底上层为扩散层，衬底底部连接有底电极。

更进一步的，扩散层上层附有钝化膜。当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反钝化膜层进入衬底基片中，能量大于禁带宽度的光子在N+区，PN+结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。

更进一步的，所述的衬底为p型或n型衬底。对于衬底的性质这里不做约束，可以为p型也可以为n型，保证适用于多种性质的电池。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1)本方案采用立体式的逐渐降低高度的副栅结构，在平面上并未改变采光面积，避免遮光损失，降低传导电阻，从三维空间Z方向着手增加现有的丝网印刷副栅纵向高度，平面XY方向遮光维持不变的同时，沿传输路径传导横截面渐进式加高以降低收集电流沿途功率损耗；

2)由于副栅是逐渐靠近主栅增高的，并不是和现有技术中副栅都一样的厚度，整体副栅的体积下降，节省副栅浆料单片消耗量，沿远离主栅的X方向起始，相较二次印刷和常规印刷方式节省约一半副栅浆料单耗；

3)降低钝化膜损失，便于衔接增高与后端组件焊接平整，避免了主栅对钝化层的化学腐蚀，主栅/副栅衔接部位趋于同一平面，后续组件焊带与主栅有效焊接粘连区增多，从设计端减少组件虚焊、露白等不良。

附图说明

图1为现有的太阳电池基本结构以及栅状主/副栅电极局部侧视放大图；

图2为现有的栅状主/副栅电极Z方向垂直纸面向上的局部俯视放大图；

图3为现有的二次印刷方案简要过程示意图；

图4为现有的二次印刷方案得到的栅状主/副栅电极侧视放大图；

图5为现有的分次印刷方案简要过程示意图；

图6为现有的分次印刷方案得到的栅状主/副栅电极侧视放大图；

图7为现有的平面XY方向渐变式副栅方案局部俯视放大图；

图8本方案实施例1楔形栅状主/副栅电极局部侧视放大图；

图9为图8的楔形栅状主/副栅电极局部放大图；

图10实施例2阶梯形栅状主/副栅电极局部侧视放大图；

图11为实施例3的12BB太阳电池栅状主/副栅电极结构。

图中标号说明：

1、主栅；2、副栅；3、衬底；4、扩散层；5、底电极；6、钝化膜。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本专利针对衬底基片表面栅状主/副栅金属电极，对应的副栅电极采用了改进优化的创新楔形如图8所示，搭接主栅1部位的副栅2对应的一端高度最高，在对应Z方向，一般的副栅最高高度可以为6um～100um，远离主栅1部位的副栅2高度一定小于搭接主栅1部位的副栅2高度；高度值渐次降低，即楔形，其中，楔形副栅2逐渐从上到下的逐渐降低，对应可以是线性变化，也可以是非线性的变化，只要与主栅1接触的部分高于其他部分，远离主栅1部分的副栅2低于接近主栅1部分的副栅2，那么银浆就是减少的，成本就是降低的。可以用更少的成本获得相同面积的电池板发电量。

一般的太阳能电池的副栅2数量为M条(M≥90)；主栅1数量为N条(N≥5)，并将衬底基片分割为N个区域(决定了X方向副栅长度值)，两两主栅1中分点处或距离衬底基片边沿最近点处的高度值为最低；副栅2宽度(对应Y方向)5～50um，始终维持该区间一取值不变；主栅1高度与搭接主栅1部位副栅2高度一致，即也为6um～100um区间一取值；最好是一致的，如果副栅2过高，担心在搭接部分焊接会有问题；如果副栅2较低，主栅1相对较高，其实浆料也是增加的。主栅1宽度1.2～0.05mm。关于栅线的数量、长度、宽度的具体值，在行业范围内都是有个大概的合适范围，基于遮光影响，硅片大小，和行业基础来设定的，会进行不同的数值选择，具体的只要符合本方案的副栅结构都在本方案的范围之内。可采用低成本，高可焊性/附着力属性的浮主栅进行搭接，焊接拉力大于1.2N，也可采用与副栅相同的Ag浆一次成型。

本专利栅状主/副栅结构具体可采用单次丝网印刷即常规丝印方式，刮刀挤压Ag浆料透过网版成型，并烘干烧结固化；也可采用多次丝网印刷方式获得成型固化的栅状主/副栅电极；优先采用单次丝网印刷方式获得。本专利的栅状主/副栅电极俯视图与图2是一致的，进一步说明平面XY方向遮光面积不变，不会影响采光面积，整体入射光子数不会减少，当然副栅2的宽度也可以进行变化，图2中的副栅2的宽度是保持一致的，也可以根据需求不一致，比如逐渐变窄，如图7，只要能满足其电量收集即可。

对应具有对应栅极结构的太阳能电池，包括对应的衬底3以及衬底3上的扩散层4，衬底3底部设置有底电极5，一般为金属电极，扩散层4上部还包括有钝化膜6，钝化膜6上设置有对应的主栅1和副栅2，本专利中太阳电池片可以是N型/P型，单双面电池片，即适用于所有衬底基片表面栅状主/副栅金属电极丝网印刷结构，图中为便于对比说明均以P型单面为主，实则太阳电池丝印的栅状电极均适用，双面运用该设计提效降本效果更佳；

本专利的关键点在于副栅电极的3D设计，即搭接主栅部位副栅高度一定高于远离主栅部位副栅高度，高度值降低，及其涉及的几何参数及数量取值具体范围。主/副栅搭接部位设计，高度最好一致，可采用单次丝网印刷，刮刀挤压Ag浆料透过网版成型并烘干烧结固化，成本考量优先采用单次丝网印刷方式获得。也可采用多次丝网印刷方式获得成型固化的栅状主/副栅电极，具体可采用低成本，高可焊性/附着力的浮主栅进行搭接，如选择焊接拉力大于1.2N的主栅搭接。对应的主栅1数量不做限制，可以为一条，可以为多条，本专利中太阳电池片的主栅1数量更趋向于多主栅式设计，且决定了副栅2的X的取值，便于组合技术叠加以达到提效(Eff)目的。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，还在于，实施例2中，降低的副栅2为分段降低的副栅2，如图10所示；分段降低的副栅2结构可以是均匀的宽度改变，也可以是非均匀的改变，当然此处的分段降低为90°迭代分段降低，即阶梯形搭接形状副栅2，如图10所示的阶梯改变，也可以是其他角度的，如呈80°这样的斜面分段降低，只要能保证远离主栅1的一段低于接近主栅1的一段即可，银浆减少，成本降低。可以保证相应的效果，且在加工工艺方面，更加可控，加工时候成本更低廉。

实施例3

为进一步说明，以12BB太阳电池为例加以描述，如图11所示。所述只是本专利的较佳具体实施例，仅用以说明本技术方案而非对本技术方案的限制。凡本领域技术人员依据本专利的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆在本专利的保护范围之内。

本实施例采用156.75*156.75mm，180um的N型单晶硅片、电阻率0.5～6Ω.cm作为衬底基片。经硅片表面清洗制绒，硼扩散，湿法去背结，清洗，离子注入磷，正面刻蚀，清洗，ALD+PECVD镀正面Al2O3+SiNx，背面PECVD镀SiNx膜后，丝网印刷背面金属底电极并烘干，再丝网印刷正面栅状主/副栅金属电极并烘干烧结，最后I-V测试、依电性能区分后获得高Eff成品太阳电池片。

正面栅状主/副栅金属电极均位于硅片正中，四边距离硅片边沿0.875mm，采用优化的楔形搭接形状副栅2与正面12条主栅两两搭接，如图8，并将衬底基片分割为12块导电区域。主栅长155mm，宽0.15mm，高为30um。副栅2数量为90条。对应的X方向副栅2长度为：距离硅片边沿最近的左右两边副栅2长9.3mm，中部主栅1之间副栅2长12.4mm；对应Y方向副栅宽度27.5um，始终维持不变；Z方向搭接主栅1部位的副栅2高度最高，为30um，与主栅1的高度一致，这样可以保证电特性的良好，也保证了后续工艺的顺利进行；远离主栅部位副栅高度一定小于搭接主栅1部位副栅2高度，高度值渐次降低；中部主栅1之间副栅2其两主栅2的中分点，如图11中1#点，即12.4/2＝6.2mm处，和副栅两头距离硅片边沿最近点，如图11中2#点,，即9.3mm处，副栅2高度值最低，设定为3.5±1um；主栅1高度与搭接主栅1部位副栅2高度一致，均为30um值。

本实施例中栅状主/副栅结构采用单次丝网印刷即常规丝印方式刮刀挤压Ag浆料透过网版成型，并烘干烧结固化；采用主/副栅兼容属性的Ag浆料搭接，主/副栅共同掩模成型网版一次印刷即可。

上述形成的有12条主栅1的电池板，可以保证足够多的电量的采集，对应采用的立体式的逐渐降低高度的副栅2结构可以保证在平面上的面积充足，且传导电阻下降，采用了副栅2和主栅1搭接高度一致的方案，避免了主栅对钝化层的化学腐蚀，保证了后续组件焊带与主栅有效焊接粘连区增多，从设计端减少组件虚焊、露白等不良。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种副栅电极，包括若干与太阳能电池主栅搭接的副栅，其特征在于，在远离主栅的方向上，副栅的高度呈线性/非线性的连续/分段降低。

2.根据权利要求1所述的副栅电极，其特征在于，所述的副栅与主栅搭接部位的高度与主栅高度一致。

3.根据权利要求1或2或所述的副栅电极，其特征在于，所述的副栅垂直于太阳能电池板所在的截面呈楔形或阶梯形。

4.根据权利要求3所述的副栅电极，其特征在于，所述副栅在远离主栅的方向上的宽度一致或者不一致。

5.一种太阳能电池，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的副栅电极。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能电池，其特征在于，包括若干条主栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅。

7.根据权利要求5或6所述的一种太阳能电池，其特征在于，太阳能电池包括有衬底，衬底上层为扩散层，衬底底部连接有底电极。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能电池，其特征在于，扩散层上层附有钝化膜。

9.根据权利要求7所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述的衬底为p型或n型衬底。

10.根据权利要求8所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述的衬底为p型或n型衬底。

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