CN114551611B - 一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统，属于太阳能电池技术领域，其中，包括焊盘与主栅，所述焊盘至少设有两个，所述主栅的两端分别与一个所述焊盘电性连接，所述焊盘上设有焊接区域和非焊接区域，仅在所述焊接区域上设有焊接材料。本发明通过仅在所述焊接区域上设有焊接材料，在串焊过程中焊带仅与焊接区域形成焊接，非焊接区域无法与焊带或其它区域形成有效焊接，仅在焊接区域引入了应力，降低了电池弯曲或者裂片出现的可能，进而提高了组件的生产过程良率以及组件的可靠性。

Description

一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统。

背景技术

太阳能电池中，通常通过栅线结构收集电流，并将栅线结构收集到的电流通过主栅汇集到电池的电极，通过焊带将将电流引出至电极，因此需要对栅线结构和焊带进行连接。

现有技术中，通常在栅线结构表面全覆盖金属锡，由于栅线机构表面全覆盖有金属锡，在进行组件串焊时，焊带会与整根主供电线路区域形成焊接，焊带与主供电线路区域之间的焊锡冷却固化时会引入大量的应力，应力拉扯会造成电池弯曲或者裂片等，进而导致组件良率及存在可靠性的风险；若只有焊接区域覆盖金属锡，则串焊过程焊带只与焊接区域处形成焊接，其它区域无法形成有效焊接，降低了应力，进而提高组件的生产过程良率以及组件的可靠性。

发明内容

本发明以在串焊过程中仅对焊接区域进行焊接，降低栅线结构与焊带之间的应力，进而提升组件的生产过程良率以及组件的可靠性为目的，提供了一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统，包括焊盘与主栅，所述焊盘至少设有两个，所述主栅的两端分别与一个所述焊盘电性连接，所述焊盘上设有焊接区域和非焊接区域，仅在所述焊接区域上设有焊接材料。

作为优选，所述焊盘的非焊接区域设有第一钝化层。

作为优选，所述第一钝化层为致密氧化层或抗氧化保护层。

作为优选，所述第一钝化层的厚度为1nm-1μm。

作为优选，所述栅线结构还包括细栅，所述主栅、所述细栅及所述焊盘均包括种子层及设置在种子层上的电镀金属层。

作为优选，所述细栅包括正极细栅、负极细栅，所述主栅包括正极主栅、负极主栅，所述正极细栅与负极细栅间隔设置，所述正极细栅与所述正极主栅电性连接，所述负极细栅与所述负极主栅电性连接。

作为优选，所述电镀金属层为铜、镁、铝或银中的至少一种。

作为优选，所述种子层由合金制成，其组分包括功能成分以及强化成分，所述功能成分为波长范围在850-1200之间平均折射率低于2的一种或多种金属，所述功能成分以及所述强化成分按照一定比例进行混合制成。

作为优选，所述功能成分为Al、Ag、Cu、Mg中的一种或多种，所述强化成分为Mo、Ni、Ti、W、Cr、Si、Mn、Pd、Bi、Nb、Ta、Pa、V中的一种或多种，其中，按照含量占比，所述功能成分＞50％。

作为优选，所述种子层采用物理气相沉积(包括溅射、蒸镀)、丝网印刷、化学气相沉积、电镀或化学镀中的一种。

作为优选，所述焊接材料为金属锡或银。

本发明还提供了一种太阳能电池，包括所述的栅线结构。

本发明还提供了一种太阳能电池组件，包括若干个电性连接的所述的太阳能电池。

本发明还提供了一种太阳能发电系统，包括若干个电性连接的所述的太阳能电池组件。

较之现有技术，本发明的优点在于：

本发明在进行组件串焊时，由于仅在所述焊接区域上设有焊接材料，在串焊过程中焊带仅与焊接区域形成焊接，非焊接区域无法与焊带或其它区域形成有效焊接，仅在焊接区域引入了应力，降低了电池弯曲或者裂片出现的可能，进而提高了组件的生产过程良率以及组件的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明提供的本发明的栅线结构的示意图；

图2是Cu与其他金属的扩散系数的对比图。

附图标记：10、主栅 20、焊盘；30、焊接区域；40、细栅。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的太阳能电池的导电接触结构，如图1所示，

一种太阳能电池的栅线结构、组件及发电系统，包括焊盘20与主栅10，所述焊盘20至少设有两个，所述主栅10的两端分别与一个所述焊盘20电性连接，所述焊盘20上设有焊接区域30和非焊接区域，仅在所述焊接区域30上设有焊接材料。

为保护焊盘20的非焊接区域不发生焊接，优选地，焊盘20的非焊接区域覆盖有第一钝化层，更优选地，该第一钝化层在高温下不发生熔化且不与焊带或其它结构不发生熔接或其它化学反应。

为了保证所述焊盘20的非焊接区域与焊带或其它结构不发生焊接或化学反应的前提下降低成本与覆膜难度，优选地，第一钝化层可采用致密氧化层或抗氧化保护层，更优选地，第一钝化层可采用致密氧化层，致密氧化层由金属氧化形成，金属可采用电镀的方式覆盖在所述焊盘20的非焊接区域，电镀完成后可使其暴露与空气中自然生成氧化膜或采用化学催化的方法促使金属表面生成氧化膜，形成致密的金属氧化层。

为了便于实施，更优选地，所述电镀的金属可采用为铜或铝，电镀铜或电镀铝氧化后形成致密的铜氧化层或铝氧化层。

进一步的，所述第一钝化层的厚度为1nm-1μm，由于所述第一钝化层的作用主要是用来

为了防止所述焊盘20的非焊接区域与焊带或其它结构不发生焊接或其它化学反应，经过焊接测试，在电池极限焊接温度下，所述第一钝化层的厚度优选为为1nm以上，为了控制焊盘20的非焊接区域的电阻以及体积，第一钝化层的厚度优选为1μm以下。

为了收集太阳能电池的硅板产生的电流，所述栅线结构还包括细栅40，所述主栅10、所述细栅40及所述焊盘20均包括种子层及设置在种子层上的电镀金属层，所述细栅40包括正极细栅、负极细栅，所述主栅10包括正极主栅、负极主栅，所述正极细栅与负极细栅间隔设置，所述正极细栅与所述正极主栅电性连接，所述负极细栅与所述负极主栅电性连接，为了能够更多的收集太阳能电池的硅板产生的电流，正极细栅与负极细栅均优选为多个。

为了降低电镀金属层与其它导体电性连接时的电阻率，所述电镀金属层优选为铜、镁、铝或银中的至少一种。

由于所述细栅40需要与硅板粘合，电镀金属层直接与硅板粘合时粘合力较弱，容易发生分离，为了提升电镀金属层和硅板的之间的粘合力，优选地，在电镀金属层与硅板之间之间添加种子层，种子层为合金材料，其包括功能成分与强化成分，功能成分为波长范围850nm-1200nm之间平均折射率低于2的一种或多种金属(优选为Al(铝)、Ag(银)、Cu(铜)、Mg(镁)中的任意一种或多种)，强化成分包括Mo(钼)、W(钨)、Ti(钛)、Ni(镍)、Cr(铬)、Si(硅)、Mn(锰)、Pd(钯)、Bi(铋)、Nb(铌)、Ta(钽)、Pa(镤)、V(钒)中的任意一种或多种。种子层中功能成分的含量优选＞50％。更优选地，种子层的功能成分为Al，其含量为≥70％；强化成分为Ni，含量为≤30％，或者，功能成分为Al，含量为≥70％；强化成分为W，含量为≤30％，或者，功能成分为Al，含量为≥70％；强化成分为Ti，含量为≤30％，或者，功能成分为Al，含量为≥70％；强化成分为Mo，含量为≤30％,或者，功能成分为Al，含量为≥70％；强化成分为Cr，含量为≤30％，或者，功能成分为Al，含量为≥70％；强化成分为Si，含量为≤30％。

目前量产化晶体硅太阳电池中使用到Ag浆料作为细栅材料，其中Ag浆料的成本占电池非硅成本接近30％的比例。减少Ag用量或者不使用Ag的生产技术将可有效降低太阳电池的生产成本。其中Cu便为Ag的很好替代品，Cu相比较Ag作为导电材料的优势对比请见下表a：

表a

由上表a可知，Cu具有相对稳定的化学特性、优良的延展性、足够低的体电阻以及可大量获取且价格低廉(接近1/72的Ag材料价格)这些优良的特性，使得其成为Ag的有效替代品。但Cu有两个重要的特点限制了其在太阳电池中的应用，第一个是Cu的扩散系数过大，图2为常见金属的扩散系数示意图，图2中的横、纵坐标分别表示表示温度(单位开尔文K)的倒数、金属元素的扩散系数，由图2可以看到，Cu的扩散系数远高于其它金属，较Ag/Al等高了>5个数量级。

第二个是，Cu缺陷对空穴有较大的捕获截面，其会大幅降低少子寿命，进而降低太阳电池的电性能，Cu含量对少子寿命以及电池性能的影响请见下表b：

表b

由上表b可知，随着Cu含量的增加，体少子寿命大幅降低，电池效率也大幅降低。即使只有1E12/cm3的Cu杂质，电池效率也降低0.29％。

现有技术中，通常采用Ni(镍)作为Cu扩散的阻挡层，同时能很好的粘连衬底以及Cu电极，其实现方案大致流程为：准备好镀膜后的衬底—激光开膜—电镀Ni—电镀Cu层。但我们在研究过程中发现Ni作为Cu的阻挡层存在一个较大的缺陷，其长波段反射效果较低，降低了电池的陷光效果，进一步降低了电池的转换效率。

Ni+Cu与Ag作为电极材料的电池光学性能对比数据请见下表c：

表c

由上表c可知，Ni+Cu的组合使得电池的短路电流大幅降低，其中模拟结果中预测，短路电流密度将降低0.75mA/cm2，实验结果降低了1.36mA/cm2的短路电流密度，比理论预测更大。

下面我们对常见的金属陷光效果进行分析：

目前成品电池硅片厚度大约在150um，>850nm波长的光即可有效穿透此厚度，通四海Si的禁带宽度为1.12eV，所以>1200nm的光将难以激发电子空穴对，因此我们考虑陷光效果时主要关注850-1200nm波段。下表d为不同金属的界面反射率以及2022年2月份查到的市场价格：

表d

由上表d可以看到，不同金属之间界面反射率差异较大，其中Ag/Al/Cu/Mg四种金属可以获得相对理想的短路电流结果，用于种子层中都能形成有效的陷光效果；进一步分析：Cu不能应用为种子层，因为种子层一个重要的作用就是阻挡Cu；Mg化学性质过于活泼也不是很好的一种选择；Ag价格则较高，也不是较好的选择；Al则是一个理想的种子层金属，其具有优良的背反射率效果，同时化学性质相对稳定，且其价格低廉，仅为Ag的1/223，Cu的1/3。

但单纯Al金属做为种子层，却引入另外一个问题：Al与其它金属之间的粘连较弱，使用单纯Al作为种子层的技术会使得产品可靠性不达标，产品在冷热交替或者弯曲的情况，或者组件焊接中焊点的应力都会导致Al与外层金属分离，产生脱落，引起失效。

Al与Cu之间结合力差，容易形成成片的栅线掉落。为解决此问题，我们尝试了多种改善方法，例如增加Al/衬底接触面积、给样品升温促进金属间互扩散、Al/Cu材料之间插入新材料例如TiW等，效果均不理想；最终发现若在Al材料中直接添加与Cu能形成良好互联的强化成分作为种子层，在Cu电镀之后甚至不需要额外的退火处理，即已形成良好种子层/电镀层交连，大幅提升电镀层的粘附力，最终解决此问题。

其中经实验验证，Ni、Mo、Ti、W这四种强化成分起到明显的粘附力提升效果。

进一步地我们通过表d了解到，Ni、Mo、Ti、W这四种材料其反射率偏低，若添加过多，则导致光学性能的降低，其中以W为例，我们简单的假定合金成分的性能为成分的加强平均值，则得到如下表e所示的推算结果：

表e

其中当W含量为30％时，其电流损失为0.36mA/cm2，这引起约0.2％的电池转换效率降低，此虽然较大但综合Cu替代Ag带来的成本降低以及对可靠性问题的解决上来看，值得接受，因此认为，强化成分≤30％为推荐值。

进一步地，我们种子层中强化成分的比值可以呈现不均匀分布，这样将获得更佳的性能效果，其原理为：与衬底接近的部分降低强化成分的含量，这样可以增强光的反射，而与导电层金属接触的部分可以相对含有更高的强化成分以提高与导电层金属的结合力。

下表f为不同电极技术的焊接拉力对比：

表f

由上表f可以看出，单纯Al种子层其栅线拉力较低，远低于常规的Ag电极，而Al与Cu直接插入TiW材料后焊接拉力有所提升，但依然存在不足，本发明中采用Al合金种子层制作的太阳电池，其焊接拉力甚至表现比常规Ag电极更高。

进一步地，种子层厚度优选≥30nm，经实验发现，30nm厚度的种子层足以阻挡Cu金属的扩散，而厚度≤300nm，主要考虑因素为控制成本，例如采用物理气相沉积的方法制作种子层，即使Al相对其它金属价格较低，但Al靶材的成本影响依然不可忽视，种子层厚度越高设备侧产能越低，不利于大规模生产地推广，因此，种子层厚度优选为30-300nm之间

进一步地，为节省合金靶材地成本且进一步限制Cu金属往衬底扩散，我们可以在合金种子层与衬底之间添加一层透明导电氧化物层，长波段的光可穿透明导电氧化物层，在合金层界面进行有效反射，同样能获得理想地性能及可靠性结果。

上述方案中，所述种子层优选为PVD、丝网印刷、化学气相沉积、电镀或化学镀中的一种，种子层优选由多层子种子层堆叠而成，更优选地，沿背离电镀金属层至硅板的方向堆叠的子种子层中的功能成分的含量逐渐下降，以增强第一粘合力与第二粘合力，同时减小第一粘合力与第二粘合力之间的差值。

为了易于焊接，同时减低焊接点的电阻，所述焊接材料优选为金属锡或银。

综上，本发明在进行组件串焊时，由于仅在所述焊接区域30上设有焊接材料，在串焊过程中焊带仅与焊接区域30形成焊接，非焊接区域无法与焊带或其它区域形成有效焊接，仅在焊接区域30引入了应力，降低了电池弯曲或者裂片出现的可能，进而提高了组件的生产过程良率以及组件的可靠性。

本发明还提供了一种太阳能电池，包括所述的栅线结构。

本发明还提供了一种太阳能电池组件，包括若干个电性连接的所述的太阳能电池。

本发明还提供了一种太阳能发电系统，包括若干个电性连接的所述的太阳能电池组件。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (8)

1.一种太阳能电池的栅线结构，包括焊盘(20)与主栅(10)，其特征在于：所述焊盘(20)至少设有两个，所述主栅(10)的两端分别与一个所述焊盘(20)电性连接，所述焊盘(20)上设有焊接区域(30)和非焊接区域，仅在所述焊接区域(30)上设有焊接材料；

所述焊盘(20)的非焊接区域设有第一钝化层；

所述第一钝化层为致密氧化层或抗氧化保护层；

所述第一钝化层的厚度为1nm-1μm；

所述栅线结构还包括细栅(40)，所述主栅(10)、所述细栅(40)及所述焊盘(20)均包括种子层及设置在种子层上的电镀金属层；

所述种子层由合金制成，其组分包括功能成分以及强化成分，所述功能成分为波长范围在850-1200之间平均折射率低于2的一种或多种金属，所述功能成分以及所述强化成分按照一定比例进行混合制成；

所述功能成分为Al、Ag、Cu、Mg中的一种或多种，所述强化成分为Mo、Ni、Ti、W、Cr、Si、Mn、Pd、Bi、Nb、Ta、Pa、V中的一种或多种，其中，按照含量占比，所述功能成分＞50％。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池的栅线结构，其特征在于：所述细栅(40)包括正极细栅、负极细栅，所述主栅(10)包括正极主栅、负极主栅，所述正极细栅与负极细栅间隔设置，所述正极细栅与所述正极主栅电性连接，所述负极细栅与所述负极主栅电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池的栅线结构，其特征在于：所述电镀金属层为铜、镁、铝或银中的至少一种。

4.如权利要求1所述的一种太阳能电池的栅线结构，其特征在于：所述种子层采用物理气相沉积(包括溅射、蒸镀)、丝网印刷、化学气相沉积、电镀或化学镀中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能电池的栅线结构，其特征在于：所述焊接材料为金属锡或银。

6.一种太阳能电池，其特征在于：包括如权利要求1至5所述的栅线结构。

7.一种太阳能电池组件，其特征在于：包括如权利要求6所述的太阳能电池。

8.一种太阳能发电系统，其特征在于：包括如权利要求7所述的太阳能电池组件。