CN114613876B - 一种用于微细栅线制备的高精压印方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于太阳能电池微细栅线制备的压印方法及装置，属于太阳能电池制造工艺领域，由螺杆阀进料装置、控制计算机、激光位移传感器、多维运动组件、真空吸附平台和高精压印模头等构成，装置结构新颖，加工方法原理清晰。与传统的丝网印刷制备栅线加工方法相比，本发明将若干厚、薄相间的垫片刚性固连形成一个整体，其中薄垫片下端开口区在两个厚垫片夹击下形成微细狭缝，以在太阳能电池表面产生狭缝线状喷涂效应，实现宽度5~50㎛尺度的细栅线的可靠制备，打破了传统丝网印刷技术制备细栅线的宽度限制，且制备出的栅线结构致密、高宽比大，有效提升了光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微细栅线制备的高精压印方法及装置，属于太阳能电池制造工艺领域。
背景技术
随着全球能源日趋紧张，太阳能电池以无污染 、无机械转动部件、维护简便、 无人值守、建设周期短、规模大小随意、可方便地与建筑物相结合、市场空间大等独有的优势而受到世界各国的广泛重视，国际上已有众多大公司投入到太阳能电池的研发和生产中。
当前，硅基太阳能电池面临的挑战是如何提高太阳能电池的效率以增加单位面积的发电量，以及进一步降低制造成本使其能够广泛应用在晶体硅太阳能电池中。硅片上正电极栅线的制备是解决问题的关键，正电极栅线是收集太阳能电池电流的必要部件，其性能直接影响电池的能量转换效率。太阳能电池的正电极栅线负责收集光生载流子，由于其处在受光面，因此制成栅线形状，可以最大程度降低对光照的遮挡。
目前晶体硅太阳能电池的正电极栅线主要采用丝网印刷技术制备，丝网印刷制备正电极栅线的工艺路线是把含银的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上，然后通过高温快速烧结，浆料中的玻璃体蚀穿氮化硅膜形成较良好的栅线与硅的接触。丝网印刷技术工艺简单，设备成熟，设备产能高，因而得到大规模使用。然而随着市场竞争的加剧，丝网印刷的栅线高宽比低，成本偏高等弊端逐渐显现出来。
采用丝网印刷的方法印刷栅线时，其原理是通过刮刀挤压丝网上的浆料，使其附在硅片表面。在印刷过程中，丝网与硅片有一个接触与分离的过程，由于浆料具有一定的流动性，在这个过程中会出现浆料往栅线两边坍塌，造成毛边的现象，该区域的电极厚
度低，但具有一定的宽度，一般为50㎛。如果直接在印刷和烧结后的栅线上进行镀银，将会出现毛边区域也电镀上银的情形，导致栅线宽度的显著增加，不利于电池片效率的提高。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于，提供一种用于太阳能电池微细栅线制备的压印方法及装置，以解决现有丝网印刷制备栅线种存在的问题，如宽高比受限、光电转换效率低下、接触电阻大、银浆消耗量多等问题。
一种用于微细栅线制备的高精压印装置，包括：
真空吸附平台，用于通过吸附方式固定电池片；
多维运动组件，用于带动真空吸附平台作进给运动；
喷涂模头，用于在电池片表面将浆料印刷出细栅；
所述的喷涂模头的结构包括厚垫片和薄垫片，厚垫片和薄垫片依次重复层叠排列，在喷涂模头的底部，厚垫片的高度超出薄垫片，在相邻的厚垫片之间形成间隙，厚垫片的底部为镂空区，镂空区位于厚垫片的超出薄垫片的位置上，镂空区的下方为加强筋；在喷涂模头的上部还设有贯通槽，贯通槽与镂空区和螺杆阀进料装置相连通。
在一个实施方式中，贯通槽宽度优选尺寸为6mm。
在一个实施方式中，在喷涂模头的两侧，分别安装端部挡板，用于封闭镂空区。
在一个实施方式中，厚垫片和薄垫片的主体部分都设有安装导向孔，用于套接固定安装。
在一个实施方式中，在厚垫片的底部的两端，分别设有微小的凸起，微小凸起尺寸优选为高度0.1-0.4mm。
在一个实施方式中，所述的多维运动组件能够在X、Y、Z三个方向实现进给；所述的多维运动组件中包括Z向进给机构、X向进给机构、Y向进给机构。
在一个实施方式中，真空吸附平台表面设有吸附气孔，吸附气孔与真空泵相连接。
在一个实施方式中，还包括：螺杆阀进料装置，用于向喷涂模头中注入浆料。
在一个实施方式中，螺杆阀出口压力优选值0.5~1.2MPa，螺杆阀流量优选值≥0.04ml/s。
在一个实施方式中，还包括：控制计算机，用于对多维运动组件进行控制。
在一个实施方式中，还包括：激光位移传感器，用于检测多维运动组件的进给运动，并将结果反馈至控制计算机。
一种用于微细栅线制备的高精压印方法，包括如下步骤：
包括如下步骤：第1步，将电池片置于真空吸附平台上，开启真空泵使电池片被吸附固定；第2步，通过螺杆阀进料装置向喷涂模头中压入浆料，使浆料从微流道压出；第3步，通过多维运动组件的进给运动，实现在电池片表面的浆料细栅的印刷。
有益效果
本发明提出了一种用于太阳能电池微细栅线制备的压印方法及装置，由螺杆阀进料装置、控制计算机、激光位移传感器、多维运动组件、真空吸附平台和喷涂模头等构成，装置结构新颖，加工方法原理清晰。与传统的丝网印刷制备栅线加工方法相比，本发明将若干厚、薄相间的垫片刚性固连形成一个整体，其中薄垫片下端开口区在两个厚垫片夹击下形成微细狭缝，以在太阳能电池表面产生狭缝线状喷涂效应，实现宽度5~50㎛尺度的细栅线的可靠制备，打破了传统丝网印刷技术制备细栅线的宽度限制，且制备出的栅线结构致密、高宽比大，有效提升了光电转换效率。同时本发明创新性地引入控制计算机、螺杆阀进料装置、激光位移传感器、多维运动组件构成闭环检测控制系统，实时调节修正模头与电池片的对中位置和加工间隙，确保栅线厚度均匀一致，极大地提升了栅线制备效率和成品合格率，同时最大限度提高银浆的利用率，降低生产成本。
附图说明
图1是本方法的流程图；
图2是本方法的装置图；
图3是真空吸附平台结构图；
图4是喷涂模头结构图；
图5是喷涂模头剖面图；
图6是喷涂模头剖面图；
其中，螺杆阀进料装置（1）、控制计算机（2）、 激光位移传感器（3）、喷涂模头（4）、电池片（5）和、真空吸附平台（6）、多维运动组件（7）、厚垫片（41）、薄垫片（42）、贯通槽（43）、安装导向孔（44）、端部挡板（45），凸起（46）、加强筋（47）、镂空区（48）、间隙（49）、吸附气孔（61）、吸气口（62）、Z向进给机构（70）、X向进给机构（71）、Y向进给机构（72）、底座（73）。
实施方式
装置中包括螺杆阀进料装置1、控制计算机2、激光位移传感器3、喷涂模头4、电池片5、真空吸附平台6、多维运动组件7。喷涂模头4通过支架固定在电池片5正上方；电池片5通过真空吸附固定在真空吸附平台6；螺杆阀进料装置1通过流道与喷涂模头4相连；装置一侧还设有控制装置包括控制计算机2和激光位移传感器3。
多维运动组件7包括Z向进给机构70、X向进给机构71、Y向进给机构72和底座73；所述底座73上设有Y向进给机构72，Y向进给机构72上设有X向进给机构71，X向进给机构71上设有Z向进给机构70，Z向进给机构70上设有真空吸附台6。行程范围优选值200~500mm，重复定位精度优选值≤3㎛。所述Z向进给机构70、X向进给机构71、Y向进给机构71与控制计算机2连接，用于实时监测加工间隙大小，以调整所述Z向进给机构，确保栅线厚度均匀一致，调整所述X向进给机构或Y向进给机构确保电池片位置的实时对中。多维运动组件的X\Y\Z向进给机构均采用三菱伺服电机模组。
所述真空吸附台6为优选方形平台，平台上设有多个吸附小孔，小孔排列外轮廓与电池片一致确保加工全过程吸附力均匀分布并吸附可靠。真空吸附台、吸附气孔区域面积优选值为150×150mm~500×500mm。真空吸附平台底部设有吸气口通过气管与真空泵相互连接。所述激光位移传感器3分别与喷涂模头4和电池片5相连，用于检测加工间隙。为控制计算机2提供实时反馈信号。电池片5包括薄膜太阳电池、硅晶太阳电池等。
螺杆阀进料装置1选用斯坦德STD060螺杆阀螺杆阀，出口压力优选值0.5~1.2MPa，螺杆阀流量优选值≥0.04ml/s，通过压力、流量的调节进而控制浆料流速，避免银浆沉淀。银浆包括高温银浆和低温银浆，当电池片5为异质结太阳电池选用低温银浆，低温银浆粘度为40~60Pa.s，电池片张力角<90°。银浆通过薄垫片下端开口区在两个厚垫片无间隙夹击下形成微细狭缝，以在太阳能电池表面产生狭缝线状喷涂效应，实现宽度5~50㎛尺度的微细栅线的可靠制备。
本专利中，喷涂模头4的结构如图4-6所示。是由厚垫片41和薄垫片42依次重复层叠排列构成，如图6所示，在喷涂模头4的底部，厚垫片41的高度超出薄垫片42，在相邻的厚垫片41之间形成间隙49，如图5和图6所示，厚垫片41的底部为镂空区 48，镂空区48位于厚垫片41的超出薄垫片42的位置上，镂空区48的下方为加强筋47；在喷涂模头4的上部还设有贯通槽43，贯通槽43与镂空区 48相连通，贯通槽宽度优选尺寸为6mm。附图中显示的是三角形区域镂空，但不限于此种形状，包括矩形、梯形和非规则长条形等，镂空区域与小凸起之前形成一定高度的加强筋。凹槽下端面到三角镂空区域的高度尺寸优选为5mm，三角形镂空区域最高点到最低点优选尺寸为2mm，所述加强筋高度优选尺寸为1mm。
在通过加压浆料之后，浆料可以通过贯通槽43向镂空区 48中流动，由于各个镂空区 48相互连通，可以使浆料分布于各个镂空区 48中；由于镂空区 48是处于厚垫片41的超出薄垫片42的位置上，浆料会从相邻的厚垫片41之间形成间隙49中向下流出；由于薄垫片42的尺寸厚度很小，因此就在电池板的形成形成了极细的浆料。另外，在进行注入浆料并印刷时，由于是连续进料，使得一方面可以尽可能地保持浆料低温状态，促进银浆的流动以保证浆料的新鲜度与质量。
另外，在喷涂模头4的两侧，分别安装端部挡板45，用于封闭镂空区48。
厚垫片41和薄垫片42的主体部分都设有安装导向孔44，用于套接固定安装。在厚垫片41的底部的两端，分别设有微小的凸起46，微小凸起46尺寸优选为高度0.22mm，微小凸起用于保证模头与太阳能电池片表面间隙、防止模头下端与太阳能电池片上表面干涉。导向孔通过导向销子用于固定安装垫片，以保证真空扩散焊之前垫片固定的整齐统一。
在上述的结构中，厚垫片41和薄垫片42之间可以通过真空扩散焊刚性固连形成整体，厚垫片的厚度对应所制备细栅线的间距，薄垫片的厚度对应所制备细栅线的宽度，所以厚垫片的厚度优选尺寸为1mm，薄垫片厚度优选尺寸为30㎛。所有垫片的厚度都可以根据客户产品的需求及时调整。模头优选材质为马氏体沉淀硬化不锈钢SUS630 、硬度为HRC35-39，工作面平面度为0.003mm、粗造度Ra0.02，其余表面粗造度为Ra0.08，尺寸优选为：长170mm、宽152mm、高度20mm。
在一些实施方式中，根据太阳能电池硅片的长度、厚度分别确定垫片的长度和小凸起的高度度。根据栅线线宽、间隙、条数的要求，分别确定厚垫片和薄垫片的厚度、个数。
下面结合制备步骤对本发明的技术方案作进一步地说明，包括如下步骤：
第1步，首先根据电池片5的尺寸、制备栅线宽度、根数等要求，选择、设计合理的喷涂模头4包括厚、薄垫片厚度、片数设计。
第2步，将设计好的喷涂模头4固定在支架上，并与螺杆阀进料装置1相互连接，调节多维运动组件7，使模头处于对中位置。将电池片5置于真空吸附台6上，启动真空泵进行真空吸附；通过控制计算机2、激光位移传感器3和多维运动组件7，所构成的闭环控制系统，进行加工间隙实时反馈调节。调节系统负反馈系统如图4所示。
第3步，启动螺杆阀进料装置1，将银浆注入到喷涂模头4中，螺杆阀出口压力达到0.5~1.2MPa，螺杆阀流量达到0.04ml/s以上。当银浆充满腔体形成一定压力，流入两个厚垫片夹击薄垫片下端开口区下形成微细狭缝中，在配合多维运动平台实时反馈修正调节，完成微细栅线的制备。
上述电池片尺寸为：156.75~210mm。
上述银浆包括高温银浆和低温银浆，当电池片为异质结太阳电池选用低温银浆，低温银浆粘度为40~60Pa.s，与电池片张力角<90°。
上述加工间隙优选：10~50㎛；进给速度优选0~100mm/s：
上述Z向进给机构、X向进给机构、Y向进给机构，行程范围为200~500mm，重复定位精度≤3㎛。
本发明一种用于太阳能电池微细栅线制备的压印方法及装置，能够突破传统硬刷方法栅线宽度的限制，提高栅线高宽比、增强光电转换效率、降低接触电阻；同时本发明通过控制计算器、激光位移传感器、多维运动组件构成闭环检测控制系统，实时修正调节模头与电池片表面的加工间隙，确保加工过程电池片的实时对中，以确保栅线厚度的一致性、栅线制备的连续性，极大的增大了栅线的制备效率，减少了银浆的浪费，降低了生产成本。上述描述不能理解为对本发明专利的限制。应当说明的是，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进均应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，包括：
真空吸附平台（6），用于通过吸附方式固定电池片（5）；
多维运动组件（7），用于带动真空吸附平台（6）作进给运动；
喷涂模头（4），用于在电池片（5）表面将浆料印刷出细栅；
所述的喷涂模头（4）的结构包括厚垫片（41）和薄垫片（42），厚垫片（41）和薄垫片（42）依次重复层叠排列，在喷涂模头（4）的底部，厚垫片（41）的高度超出薄垫片（42），在相邻的厚垫片（41）之间形成间隙（49），厚垫片（41）的底部为镂空区 （48），镂空区（48）位于厚垫片（41）的超出薄垫片（42）的位置上，镂空区（48）的下方为加强筋（47）；在喷涂模头（4）的上部还设有贯通槽（43），贯通槽（43）与镂空区（48）和螺杆阀进料装置（1）相连通，螺杆阀进料装置（1）用于向喷涂模头（4）中注入浆料。
2.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，贯通槽宽度尺寸为6mm。
3.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，在喷涂模头（4）的两侧，分别安装端部挡板（45），用于封闭镂空区（48）。
4.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，厚垫片（41）和薄垫片（42）的主体部分都设有安装导向孔（44），用于套接固定安装。
5.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，在厚垫片（41）的底部的两端，分别设有微小的凸起（46），微小凸起（46）的高度是0.1-0.4mm。
6.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，所述的多维运动组件（7）能够在X、Y、Z三个方向实现进给；所述的多维运动组件（7）中包括Z向进给机构（70）、X向进给机构（71）、Y向进给机构（72）。
7.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，真空吸附平台（6）表面设有吸附气孔（61），吸附气孔（61）与真空泵相连接。
8.根据权利要求1所述的用于微细栅线制备的高精压印装置，其特征在于，螺杆阀出口压力是0.5~1.2MPa，螺杆阀流量≥0.04ml/s；还包括：控制计算机（2），用于对多维运动组件（7）进行控制；还包括：激光位移传感器（3），用于检测多维运动组件（7）的进给运动，并将结果反馈至控制计算机（2）。
9.一种用于微细栅线制备的高精压印方法，其特征在于，包括如下步骤：第1步，采用如权利要求1所述的装置，将电池片（5）置于真空吸附平台（6）上，开启真空泵使电池片（5）被吸附固定；第2步，通过螺杆阀进料装置（1）向喷涂模头（4）中压入浆料，使浆料从镂空区（48）压出；第3步，通过多维运动组件（7）的进给运动，实现在电池片（5）表面的浆料细栅的印刷。
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