CN114479548A - 一种硅墨水及其制备方法和硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳电池技术领域，特别涉及一种硅墨水及其制备方法和硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法，一种硅墨水，其由以下配方制成粘度为2‑20Pa.S的硅墨水：5‑20％经过表面改性的纳米硅粉、70‑95％的有机溶剂和0‑10％的增稠剂；其中，所述有机溶剂为混合溶剂，由50‑85％的丙三醇、10‑50％的松油醇和0‑5％的异丙醇组成；所述增稠剂为甲基纤维素。一种硅墨水的制备方法，包括以下步骤：将5‑20％经过表面改性的纳米硅粉分散在70‑95％的有机溶剂中制得硅墨水；在制得的硅墨水中加入0‑10％的增稠剂，混合均匀，调节粘度至2‑20Pa.S。一种硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法，包括如下步骤：清洗太阳能电池硅片；丝网印刷硅墨水，烘干硅墨水。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，特别涉及一种硅墨水及其制备方法和硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法。
背景技术
近几年，中国光伏新能源产业飞速发展，硅光伏电池仍处于主流地位，占据绝大部分的市场份额。据业界预测，未来10至15年之内硅光伏电池仍将占据市场主导地位。晶体硅电池的理论极限效率为31％，(称之为Shockley-Queisser极限)，如何突破S-Q极限，大幅度地提高对太阳光的利用率，是世界上光伏研究和产业界十分关注的热点研究方向。硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速，日新月异，随着减反膜、背接触电极、高效背反射等技术的应用，除了成熟的PERC电池外，发明了不少新的电池器件结构，包括TOPCON、HJT等电池类型，极大地提高了太阳能电池的转换效率。
然而硅太阳能电池器件结构的优化和减反射膜技术已经发展到一个瓶颈，进一步通过它们提高光电转换效率的空间不是太大，因此我们需要进一步发展其它的相关技术。太阳光是连续的光谱，其分布范围以从零点几微米的紫外光到数微米的红外光为主。对于硅太阳能电池来说，有将近50％的太阳光不能被有效吸收而被浪费掉。这主要是因为这部分入射太阳光和硅材料本身的光吸收不匹配而导致的，对于那些太阳光波长短于400纳米或长于1100纳米的太阳光硅基太阳能电池不能有效的吸收利用，从而导致了这些部分能量的损失。为此人们提出的方法是:(1)是多结(叠层)太阳能电池光伏技术，例如GaInP/GaInAs/Ge三节太阳能电，这个设计可以有效吸收300-1800nm的太阳光，从而增大了光的吸收范围。但是这种技术成本较高，一般应用在太空卫星等地方。(2)是上下光波转换层，太阳能光波转换层主要是在电池的表面或背面镀上一层光转换材料，这些材料可以把不易被电池吸收的光转换成可被硅电池吸收的光，从而可以有效增加电池的效率。光波转换层还有一个优点就是可以在不需要改变太阳能电池结构的情况下进行。
对于有效利用太阳光的紫光及紫外光部分，纳米光转换材料是现阶段研究的热点，其发光波长可通过控制其尺寸的大小来实现。硅纳米材料由于兼具光学带隙灵活可调、光学吸收强、多激子效应明显等优点，又继承了硅材料地壳储量充足、性质良好无毒、天然保护层易形成、光照无衰减、技术储备丰富等优点，很适合用来作为光吸收-转换材料。研究表明，将一定尺寸的硅纳米颗粒高质量膜与硅太阳能电池组合在一起，可使紫外光谱范围的电力输出功率得到不同的提高，同时可减少热量和延长太阳能电池寿命。但是目前的硅纳米材料及其在太阳能电池方面的应用都普遍存在产量低、成本高、工艺复杂等缺点难于满足工业化应用需求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种硅墨水及其制备方法和硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法，将尺寸可控的纳米硅墨印刷到硅太阳能电池表面，提高对太阳光谱的吸收范围，有利于提高电池的效率，且工艺步骤简单，产量大、成本低。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种硅墨水，其特征在于，以质量百分数计算，其由以下配方制成粘度为2-20Pa.S的硅墨水：5-20％经过表面改性的纳米硅粉、70-95％的有机溶剂和0-10％的增稠剂；其中，所述有机溶剂为混合溶剂，按质量百分数计算，由50-85％的丙三醇、10-50％的松油醇和0-5％的异丙醇组成；所述增稠剂为甲基纤维素。
所述表面改性的纳米硅粉，按质量百分数计算，由1-2％的纳米硅粉和98-99％的十八烯或者苯乙烯组成；具体的，将纳米硅粉通过HF酸洗，去除表面SiO2氧化层，然后溶入十八烯或者苯乙烯进行表面改性，瓶装保存，防止氧化。
所述表面改性的纳米硅粉的尺寸约为几纳米到十几纳米，基于我们已批准发明专利“适用于气相法制备纳米粉体的收集及分离装置”(申请号：201610001695.4)可以宏量制备。
一种硅墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将5-20％经过表面改性的纳米硅粉分散在70-95％的有机溶剂中制得硅墨水；
(2)在步骤(1)制得的硅墨水中加入0-10％的增稠剂，混合均匀，调节粘度至2-20Pa.S。
一种硅墨涂层提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)清洗太阳能电池硅片；
(2)丝网印刷硅墨水，将硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上；
(3)烘干硅墨水，将印刷后的硅片在300-350℃的链式烘干炉中进行烘干10-20分钟。
具体的，在步骤(2)中，采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在150-400目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1-2cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)宏量制备的硅纳米颗粒产量大，方法较简单，成本相对于其它方法制备要低，适合产业化推广；
(2)丝网印刷方法适合大规模生产，有利于对接入现有的硅片太阳能电池的生产工艺，降低成本；
(3)对纳米硅粉进行了十八烯/苯乙烯表面改性，改善了其发光效率及分散性；
(4)本发明配置的印刷硅墨水具有合适的粘度及挥发性，很方便进行丝网印刷，烘干以后没有残留物，并在显著增强太阳光的吸收时也不影响其透过率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、95％有机溶剂组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、10％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为1％、十八烯99％。将所述量的经过表面改性的纳米硅粉分散在有机溶剂里制得硅墨水，其粘度约为2Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在150目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在300℃的链式烘干炉中进行烘干10分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率从无涂层的18.45％提升到18.67％，改进的单晶硅太阳能电池的效率从无涂层的21.73％提升到21.88％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例2
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、93％有机溶剂，2％的甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、10％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为1％、十八烯99％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至5Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在200目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在300℃的链式烘干炉中进行烘干15分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到18.90％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到21.95％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例3
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、95％有机溶剂，0％的甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、15％的松油醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为1％、十八烯99％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至7Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在250目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在300℃的链式烘干炉中进行烘干15分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到18.98％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.02％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例4
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、90％有机溶剂，5％的增稠剂—甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、10％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为1％、十八烯99％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至10Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在300目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在300℃的链式烘干炉中进行烘干15分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到19.03％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.08％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例5
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、90％有机溶剂，5％的增稠剂—甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由80％的丙三醇、15％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为1％、十八烯99％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至15Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在350目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在350℃的链式烘干炉中进行烘干20分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到19.06％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.12％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例6
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：5％经过表面改性的纳米硅粉、90％有机溶剂，5％的增稠剂—甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、10％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为2％、十八烯98％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至15Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在400目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在300℃的链式烘干炉中进行烘干15分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到19.09％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.14％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例7
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：10％经过表面改性的纳米硅粉、80％有机溶剂，5％的增稠剂—甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由85％的丙三醇、10％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为2％、十八烯98％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至18Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在200目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以2cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在350℃的链式烘干炉中进行烘干20分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到19.13％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.20％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
实施例8
本实施例的硅墨水是由以下原料制成的：10％经过表面改性的纳米硅粉、80％有机溶剂，5％的增稠剂—甲基纤维素组成；其中，所述的有机溶剂由80％的丙三醇、15％的松油醇、5％的异丙醇组成；所述的经过表面改性的纳米硅粉，包括以下组分及其质量百分数：纳米硅粉约为2％、苯乙烯98％。(1)将所述量的表面改性的纳米硅粉分散在适量的有机溶剂中制得硅墨水(2)加入所述量的增稠剂，混合均匀，调节粘度至20Pa.S。
上述所述的硅墨水经过丝网印刷改善太阳能电池效率的方法，其包括如下步骤：(1)清洗太阳能电池硅片；(2)丝网印刷硅墨水；(3)烘干硅墨水。其中印刷及烘干硅墨水的方法是：将所述的硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上，具体方法是：采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在250目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以2cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上，将印刷后的硅片在350℃的链式烘干炉中进行烘干20分钟。
经过硅墨涂层改进的多晶硅太阳能电池的效率达到19.10％，改进的单晶硅太阳能电池的效率达到22.15％。两种电池的开路电压均基本没变化，效率提升都是电流密度提升引起的。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种硅墨水，其特征在于，以质量百分数计算，其由以下配方制成粘度为2-20Pa.S的硅墨水：5-20％经过表面改性的纳米硅粉、70-95％的有机溶剂和0-10％的增稠剂；其中，所述有机溶剂为混合溶剂，按质量百分数计算，由50-85％的丙三醇、10-50％的松油醇和0-5％的异丙醇组成；所述增稠剂为甲基纤维素。
2.根据权利要求1所述的一种硅墨水，其特征在于：所述表面改性的纳米硅粉，按质量百分数计算，由1-2％的纳米硅粉和98-99％的十八烯或者苯乙烯组成；具体的，将纳米硅粉通过HF酸洗，去除表面SiO2氧化层，然后溶入十八烯或者苯乙烯进行表面改性，瓶装保存，防止氧化。
3.根据权利要求1所述的一种硅墨水，其特征在于：所述表面改性的纳米硅粉的尺寸约为几纳米到十几纳米。
4.一种权利要求1所述的硅墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将5-20％经过表面改性的纳米硅粉分散在70-95％的有机溶剂中制得硅墨水；
(2)在步骤(1)制得的硅墨水中加入0-10％的增稠剂，混合均匀，调节粘度至2-20Pa.S。
5.一种权利要求1所述的硅墨水经过丝网印刷提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)清洗太阳能电池硅片；
(2)丝网印刷硅墨水，将硅墨水按照正面电极栅线图形的要求印刷到太阳能电池硅片正面绒面上；
(3)烘干硅墨水，将印刷后的硅片在300-350℃的链式烘干炉中进行烘干10-20分钟。
6.根据权利要求5所述的一种硅墨水，其特征在于：在步骤(2)中，采用PU刮条均匀的将硅墨水涂布在150-400目聚酯网版上，再在与聚酯网版60°夹角方向上施加适当的印刷压力，以1-2cm/s的印刷速度将硅墨水印刷到硅片正面绒面上。
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