CN114220874A - 一种基于高精度3d打印的太阳能电池电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，公开了一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法。制备方法包括以下步骤：将导电墨水采用3D打印技术在基板上形成栅线，得到太阳能电池电极；导电墨水的固含量为80～92％；3D打印技术的条件包括：打印针头与基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s。本发明通过控制导电墨水的固含量为80～92％以及控制3D打印技术的条件包括打印针头与基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s，能够制得宽度更小，高宽比为0.6～1的栅线，实现更高密集程度以及更高高宽比的栅线，从而大幅提高光能利用效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法。
背景技术
太阳能电池电极包括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，这类栅线多采用丝网印刷或光刻显影等技术制作而成。
其中，丝网印刷的栅线宽度一般在100μm以上，高宽比在0.3左右，栅线的高宽比较低，导致光能利用效率低。光刻显影技术存在的问题有：①效率极低：使用涂胶/曝光/显影工艺进行挡墙制作耗时较长，以1μm/min计算，制作单片面板挡墙需要超过100min；②成本高：光刻工艺需要曝光显影去除大量的光刻胶，仅保留少量的光刻胶作为挡墙，造成大量材料的浪费；③稳定性差：光刻工艺的坡度角难控制，坡度角过大会导致显影后光刻胶易坍塌，坡度胶过小会导致挡墙的顶部线宽和底部线宽差异过大，或者在显影过程种相邻两像素发生干涉，最终导致导线高度无法达到设定高度。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，能够制得宽度更小，高宽比为0.6～1的栅线，从而实现更高精度和更高密度的电极制备。
本发明的第一方面在于提供一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
将导电墨水采用高精度3D打印技术在基板上形成栅线，得到太阳能电池电极；所述导电墨水的固含量为80～92％；
所述高精度3D打印技术的条件包括：打印针头与所述基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s。
申请人在长期研究过程中，发现基于高精度3D打印设备，通过控制导电墨水的固含量为80～92％；以及控制3D打印技术的条件包括打印针头与所述基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s，能够制得宽度更小，高宽比为0.6～1的栅线，相比现有的丝网印刷技术，本发明可得到更高密集程度以及更高高宽比的栅线，从而大幅提高光能利用效率。
另外，相比现有的光刻显影技术，光刻显影中会先涂刷银浆再进行刻蚀线路，会有部分银会被酸蚀掉；而本发明采用3D打印技术，导电墨水可以直接打印成栅线，基本没有浪费，节省了成本，同时避免基板(硅片)破损，提升产品良率。
优选地，所述采用高精度3D打印技术在基板上形成栅线，包括：
通过视觉扫描系统对所述基板进行扫描和定位，并通过图像处理算法模拟生成打印路径；
将所述打印路径导入高精度3D打印设备中，在所述基板上打印得到所述栅线。
优选地，所述高精度3D打印技术的条件包括：打印针头与所述基板的间距为10～15μm；点胶气压为10～25psi，打印速度为100～300mm/s。
优选地，所述导电墨水的固含量为85～92％。
优选地，所述导电墨水包括银浆、铜浆或银包铜浆。
优选地，所述制备方法还包括步骤：对所述栅线进行光固化。
优选地，所述打印针头呈梯形状，由上至下其宽度逐渐减小，所述打印针头的底部设有多个喷嘴。设置多个喷嘴，可提高打印效率，能够在60s内完成1片面积约为8寸的太阳能电池电极的制备。喷嘴出料方向垂直，打印针头的顶部外壁较底部外壁突出，整体呈梯形状，调节打印针头的高宽比可打印不同高宽比的栅线。
优选地，所述打印针头的材质采用氧化锆陶瓷，喷嘴与打印针头为一体成型，以减小浆料阻力，可实现顺畅打印，可完成银包铜浆、银浆、铜浆等各类导电墨水的打印。
优选地，所述喷嘴的内径为5～30μm，更优选为5～10μm。通过控制喷嘴的内径，从而可控制栅线的宽度，栅线的宽度可达到5～30μm。
本发明的第二方面在于提供一种太阳能电池电极，其采用本发明所述的基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法制备而成。
优选地，所述太阳能电池电极包括基板和栅线，所述栅线设置在所述基板的表面，所述栅线的线宽小于30μm，所述栅线的高宽比为0.6～1。
本发明的第三方面在于提供一种太阳能电池，包括本发明所述的太阳能电池电极。
相对于现有技术，本发明的有益效果以下：
本发明基于高精度3D打印技术，通过控制导电墨水的固含量为80～92％；以及控制3D打印技术的条件包括打印针头与所述基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s，能够制得宽度更小，高宽比为0.6～1的栅线，实现更高密集程度以及更高高宽比的栅线，从而大幅提高光能利用效率。
附图说明
图1是本发明实施例1栅线的结构示意图；
图2是本发明实施例1打印针头的结构示意图。
图中，100-主栅线，200-副栅线，300-打印针头，310-针嘴。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。
以下实施例中所用的高精度3D打印机均为同一台高精度3D打印机，该高精度3D打印机主要由高性能多轴运动控制器和基恩士视觉控制系统组成。
实施例1
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头300与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为300mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头300转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴310和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头300与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线100以及横向的副栅线200的打印(参照图1)；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
本实施例1的打印针头300的底部设有四个喷嘴310，打印针头300整体呈梯形状，由上至下其宽度逐渐减小；喷嘴310的内径为8μm(参照图2)。
实施例2
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为80％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为300mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例3
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为85％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为300mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例4
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为10μm，点胶气压为25psi，打印速度为300mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例5
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为100mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例6
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为200mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例7
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为400mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例8
一种基于高精度3D打印的太阳能电池电极的制备方法，包括以下步骤：
1.上料和机台准备:
1.1在高精度3D打印机墨盒中装入导电墨水，导电墨水采用固含量为92％的银浆，打印挤料通过自动点胶机控制；
1.2将太阳能电池基板固定在高精度3D打印机样本台上，通过视觉扫描系统对基板进行扫描和定位，并通过图像识别系统进行图像处理，模拟生成打印路径；
1.3将打印路径导入高精度3D打印机中，将打印针头移动至预打印区，设置好打印条件：打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为10psi，打印速度为300mm/s；
2.样品打印：
2.1打印针头转移至打印起始点后，依据计算机视觉算法，自动调至喷嘴和基板刚好接触，再通过气浮装置，控制气体流量，使得打印针头与基板的距离稳定在设定高度；
2.2按照打印路径分别完成纵向主栅线以及横向的副栅线的打印；
3.3转移至红外烧结区域进行光固化，完成栅线烧结，即可得到太阳能电池电极。
实施例1-8的打印条件及所得栅线的参数如表1所示。
表1
从表1中的数据可以看出，实施例1所得的栅线最佳，其高宽比接近于1，而且其线宽、厚度也等同或接近于喷嘴内径的8μm，说明成线稳定，栅线成型性非常好。由此可知，实施例1的制备条件最佳，最佳制备条件为：银浆固含量为2％、打印针头与基板的间距为15μm，点胶气压为25psi，打印速度为300mm/s。
对比例1-8
与实施例1的区别在于，对比例1-8改变了打印条件，其他所用高精度3D打印机及制备方法同实施例1。
实施例1以及对比例1-8的打印条件及所得栅线的参数如表2所示。
表2
从表2中的数据可以看出，对比例1由于银浆的固含量过低，导致银浆打印后塌落扩展，高宽比低；对比例2由于银浆的固含量过高，线型不稳定，出现锯齿状或不均匀的情况；对比例3由于间距过大，成线不稳定，容易断线，对比例4由于气压过大，打印针头会出现晃动，成线不稳定，容易断线；对比例5由于打印速度过低，导致线宽过大；对比例6由于打印速度过高，导致断线。由此可知，当银浆的固含量以及打印条件不在本发明的限定范围，会出现成线不稳定，断线的问题。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将导电墨水采用3D打印技术在基板上形成栅线，得到太阳能电池电极；所述导电墨水的固含量为80～92％；
所述3D打印技术的条件包括：打印针头与所述基板的间距小于20μm，点胶气压小于40psi，打印速度为100～400mm/s。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述采用3D打印技术在基板上形成栅线，包括：
通过视觉扫描系统对所述基板进行扫描和定位，并通过图像处理算法模拟生成打印路径；
将所述打印路径导入3D打印设备中，在所述基板上打印得到所述栅线。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印技术的条件包括：打印针头与所述基板的间距为10～15μm；点胶气压为10～25psi，打印速度为100～300mm/s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电墨水的固含量为85～92％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电墨水包括银浆、铜浆或银包铜浆。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤：对所述栅线进行光固化。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打印针头呈梯形状，由上至下其宽度逐渐减小，所述打印针头的底部设有多个喷嘴。
8.一种太阳能电池电极，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备而成。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池电极，其特征在于，所述太阳能电池电极包括基板和栅线，所述栅线设置在所述基板的表面，所述栅线的线宽小于30μm，所述栅线的高宽比为0.6～1。
10.一种太阳能电池，其特征在于，包括权利要求8或9所述的太阳能电池电极。
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| CN202111311056.5A CN114220874A (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于高精度3d打印的太阳能电池电极的制备方法 |
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