CN114284396B

CN114284396B - 栅线电极制备方法及太阳能电池

Info

Publication number: CN114284396B
Application number: CN202111604101.6A
Authority: CN
Inventors: 苏晓东; 曾玉莲; 邹帅
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114284396A

Abstract

本发明揭示了一种栅线电极制备方法及太阳能电池，所述方法包括：S1、在电池前驱体上涂覆正性UV油墨层；S2、对正性UV油墨层进行加热固化；S3、按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光曝光；S4、通过第一碱溶液对激光曝光后的正性UV油墨层进行显影，形成贯穿正性UV油墨层的栅线开口；S5、在栅线开口处形成栅线电极；S6、通过第二碱溶液去除正性UV油墨层。由于激光的方向性强、正性UV油墨解像力较高，本发明的栅线开口宽度可达到30μm以下，减少了栅线电极遮光面积，提高了电池的短路电流Isc；与激光烧灼掩膜版获得栅线开口相比，本发明使用激光进行曝光，激光功率较小，不会伤害到电池前驱体，避免了太阳能电池的开路电压Voc损失。

Description

栅线电极制备方法及太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种栅线电极制备方法及太阳能电池。

背景技术

目前，单晶硅太阳能电池仍在光伏市场中占主要地位，而p型钝化发射极及背接触(PERC)电池由于效率瓶颈，即将迎来更新换代之际。非晶硅/晶硅异质结(HIT)太阳能电池具有高效率、薄片化、低温度系数、低组件衰减、工艺步骤简单、良率高等优点，无疑是升级替换PERC电池的一个好选择。氢化非晶硅(α-Si:H)薄膜为HIT电池提供了良好的钝化效果，为HIT电池带来了高开压优势，但其对温度特别敏感，因此HIT电池一般采用低温银浆进行金属化。低温银浆的电阻率较常规PERC电池使用的高温银浆的体电阻率高约1.5-2倍，为了降低电池的串联电阻、提高填充因子(FF，最大输出功率ImVm与极限输出功率IscVoc之比)需要提高低温银浆的用量，这使得浆料成本占了HIT电池生产成本的约25％，较高的制造成本阻碍了HIT电池的工业化。

为了降低HIT电池的金属化成本，两条主流线路分别是是银包铜技术和电镀铜栅线技术。电镀铜栅线技术制备的栅线主体无孔隙可达到与纯铜相似的体电阻率、细栅宽度可窄至30μm以下，能极大降低电池的串联电阻、提高FF。由于HIT电池的TCO层具有导电性，选择性电镀是电镀铜栅线技术目前存在主要问题之一。

选择性电镀通常分为两大类：无机材料做掩膜版图案化和有机材料做掩膜版图案化。

无机材料通常为SiO₂、Al₂O₃、金属的自然氧化层、SiO_X/SiN_X叠层等绝缘层。Dabirian A等人使用激光烧灼开口无机绝缘减反膜，漏出下方TCO膜进行电镀栅线。由于无机绝缘减反膜较薄，且制绒后的硅片绒面高度不均，激光烧灼容易对下方TCO膜乃至α-Si:H薄膜造成损伤，从而对电池的开路电压(Voc)造成损失。无机材料做掩膜版存在两点问题：掩膜版厚度通常难以达到微米级，电镀的栅线高宽比较小，所以电池的FF和串联电阻还有很大优化空间；无机材料难以达到完全致密，容易产生寄生镀。有机材料掩膜通常可以达到十几微米以上，能很好地克服上述问题。

有机材料通常为光刻胶、UV油墨、感光干膜、丝网印刷掩膜、丝网印刷掩膜、树脂抗蚀层、热熔胶膜等。现有HIT电池电镀量产多使用感光干膜作为掩膜版，此工艺综合干膜成本、人工成本、设备成本并不经济。相较之下价格较低的UV油墨比较适合工业量产，也有HIT电池电镀设备公司在使用。然而目前市场上使用的UV油墨通常为负性UV油墨，这种负性UV油墨需要在紫外光下使用掩膜版(这里的掩膜版指透过紫外光的掩膜版，与之前的“无机材料做掩膜版”不同)进行曝光，受光照的位置油墨固化，不受光照的位置可在稀碱溶液中显影露出需要电镀的栅线位置。由于负性UV油墨解像力较低，栅线开口宽度通常为40μm，而且切换栅线电极图形时需要更换掩膜版。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种栅线电极制备方法及太阳能电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种栅线电极制备方法及太阳能电池。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种栅线电极制备方法，所述方法包括：

S1、在电池前驱体上涂覆正性UV油墨层；

S2、对正性UV油墨层进行加热固化；

S3、按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光曝光；

S4、通过第一碱溶液对激光曝光后的正性UV油墨层进行显影，形成贯穿正性UV油墨层的栅线开口；

S5、在栅线开口处形成栅线电极；

S6、通过第二碱溶液去除正性UV油墨层。

一实施例中，所述步骤S1前还包括：

在电池前驱体上形成金属导电种子层，所述金属导电种子层的材料为铜、镍、锡、银、铝、铂、铟、钨、钛中的一种或多种，厚度为10～1000nm，优选为50～200nm；

所述步骤S6后还包括：

通过去种子层溶液去除栅线电极下方区域以外的金属导电种子层，保留栅线电极下方区域的金属导电种子层，所述去种子层溶液为氢氧化钠溶液、氨水、氨水/过氧化氢溶液、过硫酸铵溶液、三氯化铁溶液、磷酸水溶液、磷酸/硝酸溶液中的一种或多种，金属导电种子层与去种子层溶液的反应时间为10～1000s，优选为25～250s。

一实施例中，所述步骤S1中：

正性UV油墨层的厚度为1～50μm，优选为12～25μm或5～25μm；和/或

正性UV油墨层的涂覆工艺为旋涂工艺、丝网印刷工艺或喷涂工艺，优选为喷涂工艺。

一实施例中，所述步骤S2中：

加热固化的温度为50～150℃，优选为75～120℃；

加热固化的时间为1～20min，优选为8～15min。

一实施例中，所述步骤S3中：

激光波长为250～600nm，优选为300～400nm或350～450nm；和/或，

激光频率为100～3000Hz，优选为1000～2000Hz，激光功率为0.1～10W，优选为0.5～2W，激光扫描速度为50～3000mm/s，优选为300～1000mm/s或500～1500mm/s；和/或，

激光曝光通过激光器进行，激光器为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器，优选为皮秒脉冲激光器。

一实施例中，所述步骤S4中：

第一碱溶液为质量分数0.5％-2％的氢氧化钠溶液、质量分数0.4％-1.5％的氢氧化钾溶液、质量分数0.5％-3％的碳酸钠溶液或质量分数0.8％-3％的碳酸氢钠溶液，优选为质量分数0.8％-1.2％的氢氧化钠溶液或质量分数0.6％-1％的氢氧化钾溶液；和/或，

显影时间为1～100s，优选为5～50s；和/或，

所述栅线开口的宽度为15～40μm，优选为15～30μm。

一实施例中，所述步骤S6中：

第二碱溶液为质量分数3％-7％的氢氧化钠溶液、质量分数2％-6％的氢氧化钾溶液、质量分数3％-7％的碳酸钠溶液或质量分数3％-7％的碳酸氢钠溶液，优选为质量分数4％-6％的氢氧化钠溶液或质量分数3.4％-5.6％的氢氧化钾溶液；和/或，

正性UV油墨层与第二碱溶液的反应时间为1～100s，优选为5～50s。

一实施例中，所述步骤S5中的栅线电极通过电镀工艺形成；和/或，

所述栅线电极的线宽为15～40μm，优选为15～30μm。

一实施例中，所述电池前驱体为HIT电池前驱体，包括：

硅片；

分别设置在硅片相对两端面上的本征非晶硅层；

分别设置在两面本征非晶硅层上的p型非晶硅层和n型非晶硅层；

分别设置在p型非晶硅层和n型非晶硅层上的透明导电层，优选地，所述透明导电层为ITO、IWO、AZO、FTO中的一种或多种。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种太阳能电池，所述太阳能电池包括电池前驱体及位于电池前驱体至少一表面上的栅线电极，所述栅线电极通过上述的制备方法制备而得。

本发明具有以下有益效果：

本发明使用紫外波长范围内的激光代替紫外光对正性UV油墨进行曝光，与负性UV油墨相比，本发明不需要使用掩膜版，可任意切换电极图形；

由于激光的方向性强、正性UV油墨解像力较高，本发明的栅线开口宽度可达到30μm以下，减少了栅线电极遮光面积，提高了电池的短路电流Isc；

与激光烧灼掩膜版获得栅线开口相比，本发明使用激光进行曝光，激光功率较小，不会伤害到电池前驱体，避免了太阳能电池的开路电压Voc损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中栅线电极制备方法的流程示意图；

图2为本发明一具体实施方式中HIT电池前驱体的结构示意图；

图3～图8为本发明一具体实施方式中在HIT电池前驱体上制备栅线电极的工艺流程图；

图9为本发明一具体实施例中涂覆正性UV油墨层后HIT电池前驱体的截面SEM图；

图10为本发明一具体实施例中显影后图案化的HIT电池前驱体栅线开口处的SEM图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种栅线电极制备方法，包括：

S1、在电池前驱体上涂覆正性UV油墨层；

S2、对正性UV油墨层进行加热固化；

S3、按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光曝光；

S5、在栅线开口处形成栅线电极；

S6、通过第二碱溶液去除正性UV油墨层。

本发明还公开了一种太阳能电池，该太阳能电池包括电池前驱体及位于电池前驱体至少一表面上的栅线电极，栅线电极通过上述方法制备而得。

在本发明的一具体实施方式中，栅线电极制备方法包括以下步骤：

1、制备电池前驱体

参图2所示，本实施方式中的电池前驱体10为HIT电池前驱体，包括：

硅片，如n型硅片(n-type c-Si)，其表面可通过制绒工艺形成有绒面结构；

分别设置在硅片相对两端面上的本征非晶硅层(α-Si:H(i))；

分别设置在两面本征非晶硅层上的p型非晶硅层(α-Si:H(p))和n型非晶硅层(α-Si:H(n))；

分别设置在p型非晶硅层和n型非晶硅层上的透明导电层(TCO层)。

其中，透明导电层为ITO、IWO、AZO、FTO等中的一种或多种。

2、制备金属导电种子层

参图3所示，在电池前驱体10上形成金属导电种子层20，金属导电种子层可通过磁控溅射等工艺形成。

本实施方式中金属导电种子层20的材料为铜、镍、锡、银、铝、铂、铟、钨、钛中的一种或多种，优选为铜、镍、锡、银；厚度为10～1000nm，优选为50～200nm。

金属导电种子层20可以提高栅线位置的导电性、增加栅线电极附着力。

3、涂覆正性UV油墨层

参图4所示，在镀覆有金属导电种子层电池前驱体上涂覆正性UV油墨层30。

正性UV油墨层的涂覆工艺为旋涂工艺、丝网印刷工艺或喷涂工艺等，优选为喷涂工艺。

正性UV油墨层的厚度为1～50μm，优选为12～25μm或5～25μm。

4、加热固化

对正性UV油墨层进行加热固化。其中：

加热固化的温度为50～150℃，优选为75～120℃；

加热固化的时间为1～20min，优选为8～15min。

5、激光曝光

使用不同波长的激光按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光辐照曝光。其中：

激光曝光通过激光器进行，激光器为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器等，优选为皮秒脉冲激光器；

激光波长为250～600nm，优选为300～400nm或350～450nm；

激光频率为100～3000Hz，优选为1000～2000Hz，激光功率为0.1～10W，优选为0.5～2W，激光扫描速度为50～3000mm/s，优选为300～1000mm/s或500～1500mm/s。

6、显影

参图5所示，通过第一碱溶液对激光曝光后的正性UV油墨层进行显影，再用蒸馏水清洗干净，形成贯穿正性UV油墨层的栅线开口31。

本实施方式中的第一碱溶液为质量分数0.5％-2％的氢氧化钠溶液、质量分数0.4％-1.5％的氢氧化钾溶液、质量分数0.5％-3％的碳酸钠溶液或质量分数0.8％-3％的碳酸氢钠溶液等，优选为质量分数0.8％-1.2％的氢氧化钠溶液或质量分数0.6％-1％的氢氧化钾溶液；显影时间为1～100s，优选为5～50s。

通过正性UV油墨曝光显影后，栅线开口的宽度为15～40μm，优选为15～30μm。

7、制备栅线电极

参图6所示，将曝光显影后的电池前驱体置于电镀液中进行电镀工艺，在栅线开口31处形成栅线电极40。

栅线电极的材料可以为金属铜等，栅线电极的线宽为15～40μm，优选为15～30μm。

8、去除正性UV油墨层

参图7所示，通过第二碱溶液去除正性UV油墨层30。

本实施方式中的第二碱溶液为质量分数3％-7％的氢氧化钠溶液、质量分数2％-6％的氢氧化钾溶液、质量分数3％-7％的碳酸钠溶液或质量分数3％-7％的碳酸氢钠溶液等，优选为质量分数4％-6％的氢氧化钠溶液或质量分数3.4％-5.6％的氢氧化钾溶液；反应时间为1～100s，优选为5～50s。

9、去除金属导电种子层

参图8所示，通过去种子层溶液去除栅线电极下方区域以外的金属导电种子层20，保留栅线电极下方区域的金属导电种子层，得到电池成品。

本实施方式中的去种子层溶液为氢氧化钠溶液、氨水、氨水/过氧化氢溶液、过硫酸铵溶液、三氯化铁溶液、磷酸水溶液、磷酸/硝酸溶液等中的一种或多种，反应时间为10～1000s，优选为25～250s。

在本发明的一具体实施例中，栅线电极制备方法包括以下步骤：

在已经经过n型硅片制绒、α-Si:H(i)层沉积、透明导电层沉积后的HIT电池前驱体上通过磁控溅射一层厚度约为100nm的铜种子层；

在黄光条件下，通过喷枪在铜种子层上喷涂正性UV油墨层，将涂覆有正性UV油墨层的HIT电池前驱体在110℃下加热固化10min；

在黄光条件下，使用额定功率为50W的皮秒激光器按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光曝光，曝光条件为激光功率因子为2％，激光频率1536KHz，加工1次，扫描速度800mm/s；

在黄光条件下，将激光曝光后的HIT电池前驱体放置在质量分数1％的氢氧化钠溶液中显影，并使用蒸馏水清洗，得到图案化的HIT电池前驱体；

显影后的HIT电池前驱体不需要黄光条件，将图案化的HIT电池前驱体置于电镀液中，设置电流密度为15mA/cm²，经电镀得到铜栅线电极；

将已经获得铜栅线电极的HIT电池前驱体置于质量分数4％的氢氧化钠溶液中去除正性UV油墨层；

将去除油墨层的HIT电池前驱体置于氨水/过氧化氢溶液中去除非栅线阻挡区域的金属种子层，最后得到HIT电池成品。

参图9所示为涂覆正性UV油墨层后HIT电池前驱体的截面SEM图，正性UV油墨层的厚度约为12μm；参图10所示为显影后图案化的HIT电池前驱体栅线开口处的SEM图，栅线开口的平均宽度约为22μm，最终制备的铜栅线电极的线宽约为22μm。

应当理解的是，上述具体实施方式及实施例中以HIT电池前驱体为例进行说明，在其他实施例中也可以应用于其他类型的电池前驱体，凡是采用上述方法制备栅线电极的技术方案均属于本发明所保护的范围，此处不再一一进行赘述。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种栅线电极制备方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、在电池前驱体上涂覆正性UV油墨层；

S2、对正性UV油墨层进行加热固化；

S3、按照预定栅线图案对正性UV油墨层进行激光曝光，激光波长为250～600nm，激光频率为100～3000Hz，激光功率为0.1～10W，激光扫描速度为50～3000mm/s，激光曝光通过激光器进行，激光器为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器；

S5、在栅线开口处形成栅线电极；

S6、通过第二碱溶液去除正性UV油墨层。

2.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：

所述步骤S6后还包括：

3.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：

4.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：

加热固化的温度为50～150℃，优选为75～120℃；

加热固化的时间为1～20min，优选为8～15min。

5.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S3中：

激光波长为300～400nm或350～450nm；和/或，

激光频率为1000～2000Hz，激光功率为0.5～2W，激光扫描速度为300～1000mm/s或500～1500mm/s；和/或，

激光曝光通过激光器进行，激光器为皮秒脉冲激光器。

6.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S4中：

显影时间为1～100s，优选为5～50s；和/或，

所述栅线开口的宽度为15～40μm，优选为15～30μm。

7.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S6中：

8.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述步骤S5中的栅线电极通过电镀工艺形成；和/或，

所述栅线电极的线宽为15～40μm，优选为15～30μm。

9.根据权利要求1所述的栅线电极制备方法，其特征在于，所述电池前驱体为HIT电池前驱体，包括：

硅片；

分别设置在硅片相对两端面上的本征非晶硅层；

10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括电池前驱体及位于电池前驱体至少一表面上的栅线电极，所述栅线电极通过权利要求1～9中任一项所述的制备方法制备而得。