CN114628537A - 一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用，太阳电池新型电极包括铜丝，铜丝的表面还包覆有金属镀层，金属镀层表面还附着有银浆层；金属镀层由一元金属材料、二元合金材料、三元合金材料或更多元的合金材料制成；一元金属材料为Ag、Sn、Ni、Au、Bi等中的任意一种；二元合金材料为Sn‑Pb、Sn‑Zn、Sn‑Bi、Sn‑Au等中的任意一种；三元合金材料为Sn‑Ag‑Sb、Sn‑Ag‑Bi等中的任意一种；使用本发明制备方法所形成的太阳电池电极会降低太阳电池电极的串联电阻、降低太阳电池的电极成本，并能够满足太阳电池电极附着力的要求。

Description

一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用。
背景技术
太阳电池是利用光生伏特效应制成的一种光电换能器件，可以直接将太阳能转换成电能。太阳电池种类繁多，目前超过95％的太阳电池都是利用硅基片材制备的，产业化的主要有PERC太阳电池、TOPCon太阳电池及HJT太阳电池等。不管任何一种太阳电池，按其完成的功能都可以分为基体和电极两个部分，基体的主要功能是完成光的吸收、载流子产生和分离；电极的主要功能是将光产生的载流子导出。太阳电池的基体通常是半导体材料，电极通常是金属或金属氧化物。现在最常用的金属是将银制备成银浆，通过烧结和基体材料结合在一起形成电池的金属电极。由于太阳电池的基体材料和电极是两种性质完全不同的材料，因此在制备太阳电池电极的过程中，不但要求要形成低的欧姆接触，还要有一定的剥离强度，以满足太阳电池在户外25年以上的使用寿命。
经过研究人员多年的努力，目前硅基片状太阳电池上主要采用印刷银浆、烧结制备金属电极，方法是将一定份数的超细银粉、玻璃粘结剂和有机粘合剂等混合，制成浆料，通过丝网印刷等工艺将银浆印刷或挤压在太阳电池基体材料的表面，再采用烧结工艺形成具有一定剥离强度的低接触电阻金属电极。
目前用于太阳电池电极材料的银浆主要存在以下问题：
1、银浆价格昂贵，在电池片非硅成本中占比约为30-40％，在电池片整体成本中占比约为8％-10％左右；银粉占电池正面银浆原材料成本比例达98％，因此采用银浆来制备太阳电池的电极不利于光伏发电成本的持续降低。
2、全球白银总储备量约40万吨，如果2021-2023全球光伏新增装机为160GW、200GW和240GW，那么2021-2023年光伏银浆需求总量有望达到3500吨、4300吨和5000吨；未来太阳能光伏发电会成为人类能源主力，那么全球所有的银根本不能满足这个要求。
研究人员尝试了很多方法来降低太阳电池中银的消耗，或用别的金属来替代银，典型的有采用银包铜粉或电镀铜等金属，但超细铜粉的化学性质比银要活泼得多，易氧化，氧化后在铜的表面生成Cu2O和CuO薄膜，且铜粉粒度越细，其比表面积越大，氧化速度也就越快；如果银包铜粉中银的比例过低，由于铜的氧化在太阳电池烧结工艺中无法形成低电阻的电极，会导致太阳电池效率降低；如果银包铜粉中银的比例足够大，由于银的保护能够满足后续烧结中铜不被氧化，但高的银含量达不到降低成本的要求；若采用电镀的方法将铜镀在银等种子层上，但由于电镀成本高且有污染，因此这两种方法现在都不能实现产业化，亟需等待解决。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提出了一种太阳电池新型电极及其制备方法和应用，具体如下：
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种太阳电池新型电极，其特征在于：包括铜丝，所述铜丝的表面还包覆有金属镀层，所述金属镀层表面还附着有银浆层；所述金属镀层由一元金属材料、二元合金材料、三元合金材料或更多元的合金材料制成；所述一元金属材料为Ag、Sn、Ni、Au、Bi等中的任意一种；所述二元合金材料为Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au等中的任意一种；所述三元合金材料为Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-Bi等中的任意一种。
进一步地，所述铜丝的截面形状为圆形、矩形、三角形、或其他规则及不规则形状。
进一步地，所述金属镀层的厚度为1um～10um。
一种太阳电池新型电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在铜丝上采用浸镀或电镀的方法镀上一层Ag、Sn、Ni、Au、Bi等中的任意一种单质金属，或Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au等中的任意一种二元合金材料，或Sn-Ag-Sb，Sn-Ag-Bi等中的任意一种三元合金材料，或更多元的合金材料；
(2)将数根镀有金属合金的铜丝采用织栅机牵引，通过织栅机上的银浆料在镀有金属合金的铜丝上附着一层薄银浆；如果要制备太阳电池的背电极，就在镀有金属合金的铜丝上粘附背面银浆，如果要制备太阳电池的正面电极，就在镀有金属合金的铜丝上粘附正面银浆；
(3)将附着有银浆的铜丝按要求放置在太阳电池片的一面后，进行烘干、翻转；再放置另一面，再烘干，然后烧结，最终形成太阳电池的合金电极。
进一步地，所述步骤(2)中的太阳电池为常规铝背场太阳电池、PERC太阳电池、PERL太阳电池、PERT太阳电池、TOPCon太阳电池、IBC太阳电池中的任意一种时，就在镀有金属合金的铜丝上粘附可用于高温烧结的正面银浆和背面银浆。
进一步地，所述步骤(2)中的太阳电池为HIT太阳电池、HJT太阳电池、HBC太阳电池或其它薄膜太阳电池中的任意一种时，就在镀有金属合金的铜丝上粘附低温银浆。
进一步地，所述步骤(1)中的金属镀层要求是在温度大于150℃时不易氧化。
进一步地，本发明所述的一种太阳电池新型电极的制备方法，可用于制备太阳电池的细栅线、主栅线及背电极。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)在20℃时，铜的电阻率是1.70×10-6Ω·cm，银的电阻率是1.47×10-6Ω·cm，因此，使用本发明的制备方法所形成的太阳电池电极不会增加太阳电池电极本身的串联电阻，采用该电极替代现有的太阳电池电极也不会降低太阳电池的光电转换效率。
(2)采用本发明的制备方法制备太阳电池电极时，由于在其表面粘附有当前的正面银浆和背面银浆，因此可以通过烧结工艺和硅进行合金化，由于现有的正面银浆和背面银浆中都含有粘接相(玻璃粉)，因此采用本发明制备的合金电极能够满足太阳电池电极附着力的要求。
(3)采用该方法制备太阳电池电极时，由于在其表面粘附有当前的正面银浆和背面银浆，在后续合金化时形成的是银硅合金，因此其和电池基体材料能形成低的欧姆接触。
(4)采用本发明的制备方法制备太阳电池电极时，由于在铜丝上浸镀或电镀了Ag、Sn、Ni、Au、Bi等中的任意一种一元金属材料，或Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au等中的任意一种二元合金材料，或镀上Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-Bi等中的任意一种三元合金材料，或更多元的合金材料，上述镀层能完全覆盖铜，因此在烧结时铜不会发生氧化。
附图说明
图1为本发明的太阳电池新型电极的剖面结构图。
图2为采用本发明的制备方法制备常规铝背场太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为铜丝，2为浸镀的Sn-Pb合金，3为正面银浆，4为太阳电池的减反射膜，5为掺磷的n型层，6为p型单晶硅衬底，7为铝背场，8为铝，9为背面银浆，10为浸镀的Sn-Pb合金，11为铜丝。
图3为采用本发明的制备方法制备在PERC太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为铜丝，2为电镀的Ag，3为正面银浆，4为太阳电池的减反射膜SiN，5为掺磷的n型层，6为p型晶体硅衬底，7为氧化铝，8为SiN，9为背面银浆，10为电镀的Ag，11为铜丝。
图4为采用本发明的制备方法制备HJT太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为铜丝，2为电镀的SnSr，3为树脂型低温银浆，4为正面透明导电薄膜(TCO)，5为p型非晶硅层(p-a-Si:H)，6为本征非晶硅层(i-a-Si:H)，7为n型晶体硅层(n-c-Si)，8为本征非晶硅层(i-a-Si:H)，9为n型非晶硅层(n-a-Si:H)，10为背面透明导电薄膜(TCO)，11为树脂型低温银浆，12为电镀的SnSr，13为铜丝。
图5为采用本发明的制备方法制备IBC太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为SiN减反射膜，2为掺杂浓度比n型硅大的n+层，3为n型硅衬底，4为p型扩散层，5为掺杂浓度比n型硅大的n+层，6为氧化硅，7为银浆，8为电镀的SnBi，9为铜丝。
图6为采用本发明的制备方法制备TOPCon太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为铜丝，2为电镀的SnSr，3为正面银浆，4为SiN减反射膜，5为AlO钝化膜，6为p型掺杂层，7为n型晶体硅衬底(n-c-Si)，8为氧化硅薄膜，9为多晶硅薄膜，10为SiN钝化膜，11为银浆，12为电镀的SnSr，13为铜丝。
图7为采用本发明的制备方法制备HBC太阳电池电极的剖面结构图，图中的1为减反射膜，2为本征非晶硅层(i-a-Si:H)，3为n型晶体硅层(n-c-Si)树脂型低温银浆，4为为本征非晶硅层(i-a-Si:H)，5为p型非晶硅层(p-a-Si:H)，6为n型非晶硅层(n-a-Si:H)，7为明导电薄膜(TCO)，8为粘附的低温银浆，9为电镀的SnSr，10为铜丝。
具体实施方式
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
如图1所示，一种太阳电池新型电极，包括铜丝1，铜丝1的表面还包覆有金属镀层2，金属镀层2表面还附着有银浆层3；金属镀层2由一元金属材料、二元合金材料、三元合金材料或更多元的合金材料制成；一元金属材料为Ag、Sn、Ni、Au、Bi中的任意一种；二元合金材料为Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au中的任意一种；三元合金材料为Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-Bi中的任意一种。
铜丝1的截面形状为圆形、矩形、三角形、或其他规则及不规则形状。
金属镀层2的厚度为1um～10um。
一种太阳电池新型电极的制备方法，该方法可用于制备太阳电池的细栅线、主栅线及背电极，具体步骤如下：
实施例一：在常规铝背场太阳电池上制备新型合金电极
如图2所示，首先对制作晶体硅太阳电池的硅片进行分选，主要检验硅片的厚度、少子寿命、表面平整度、是否有微裂纹、电阻率、表面油污等。
其次进行制绒清洗，制绒是采用碱与制绒添加剂的混合溶液对(100)晶面的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类似“金字塔”状的绒面结构,有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收。
制绒后进行扩散制结，扩散的主要目的是制作太阳电池的心脏pn结。
扩散后的硅片在背面及侧面存在寄生pn结，所以要去掉背面和侧面的n型区，采用湿法刻蚀设备去掉背面及边缘pn结。
将去掉背面及边缘pn结的硅片采用等离子增强化学气相沉积制备减反射膜，所用反应气体是硅烷和氨气，在硅片表面形成70nm左右的SiNx：H层，起到表面减反射和钝化的作用。
然后，按照本发明所述的镀有Sn-Pb铜丝采用织栅机牵引，先通过织栅机上的背银浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层背面银浆，将粘附有背面银浆的金属线按要求放置在电池片的背面进行烘干，翻转。
再用织栅机将上述铜丝牵引经过织栅机上的正面银浆，在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层正面银浆，将粘附有正面银浆的金属线按要求放置在电池片的正面进行烘干，在高温烧结炉中进行烧结，和硅形成具有一定结合力的金属电极，最后对电池片的电性能等进行分选。
实施例二：在PERC太阳电池上制备新型合金电极
如图3所示，首先对制作晶体硅太阳电池的硅片进行分选，主要检验硅片的厚度、少子寿命、表面平整度、是否有微裂纹、电阻率、表面油污等。
其次进行制绒清洗，制绒是采用碱与制绒添加剂的混合溶液对(100)晶面的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类似“金字塔”状的绒面结构。
制绒后进行磷扩散制结。
扩散后的硅片在背面及侧面存在寄生pn结，所以要去掉背面和侧面的n型区，采用湿法刻蚀设备去掉背面及边缘pn结。
将去掉背面及边缘pn结的硅片采用原子层沉积一层氧化铝，再在氧化铝上面采用等离子增强化学气相沉积制备SiNX，所用反应气体是硅烷和氨气，最后在硅片另一面形成70nm左右的SiNx层，起到表面减反射和钝化的作用。
接着用激光对背面的氧化铝及SiNx复合膜进行烧蚀，待烧蚀完成后在烧蚀区域采用丝网印刷的方法形成铝栅线，烘干。
再按照本发明所述的镀有Sn-Ag-Sb铜丝采用织栅机牵引，先通过织栅机上的背银浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层背面银浆，将粘附有背面银浆的金属线按要求放置在电池片的背面进行烘干，翻转。
再用织栅机将上述铜丝牵引经过织栅机上的正面银浆，在镀有Sn-Ag-Sb金属合金的铜丝上附着一薄层正面银浆，将粘附有正面银浆的金属线按要求放置在电池片的正面进行烘干，在高温烧结炉中进行烧结，和硅形成具有一定结合力的金属电极，最后对电池片的电性能等进行分选。
实施例三：在HJT太阳电池上制备新型合金电极
如图4所示，首选选取n型晶体硅片，对其进行化学清洗并制绒，然后在n型晶体硅的一面上利用PECVD工艺先沉积一层本征非晶硅层，再沉积一层p型非晶硅层，之后在n型晶体硅的另一面上沉积一层本征非晶硅层和一层n型非晶硅层，沉积之后再利用溅射的方法在电池片两面分别制作透明导电薄膜(TCO膜)，再按照本发明所述的镀有SnSr的铜丝采用织栅机牵引，先通过织栅机上的树脂型低温浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池片一面的透明导电薄膜上进行烘干，翻转。
再用织栅机将上述铜丝牵引经过织栅机上的树脂型低温银浆，在镀有SnSr的金属合金铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池片的另一面进行烘干，然后在低温烧结炉中进行烧结，和透明导电膜形成具有一定结合力的金属电极，最后对电池片的电性能等进行分选。
实施例四：在IBC太阳电池上制备新型合金电极
如图5所示，首先选取n型晶体硅片，对其进行化学清洗并制绒，然后在n型晶体硅片的背面印刷硼源、烘干，再进行硼磷共扩散，去掉磷硅玻璃，高温下氧化形成氧化硅，在电池的正面利用PECVD工艺沉积SiN减反射层。
最后对电池背面的氧化硅进行光刻，分别在电池背面的n型和p型扩散层上形成金属接触的窗口，再对镀有SnBi的铜丝采用织栅机牵引，先通过织栅机上的浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池片相应位置上进行烘干，然后进行烧结，最后对电池片的性能进行分选。
实施例五：在TOPCon太阳电池上制备新型合金电极
如图6所示，首选选取n型晶体硅片，对其进行化学清洗并制绒，然后在高温下进行硼扩散形成p型层，形成pn结，湿法腐蚀掉边缘及电池背面的pn结，再在背面n型层上生长一次氧化硅薄膜，在氧化硅上沉积多晶硅薄膜，再在电池正面的氧化硅薄膜上沉积AlO薄膜，然后在电池两面分别沉积SiN薄膜，用激光在电池正面进行烧蚀开槽形成金属接触的窗口，再将镀有SnBi的铜丝采用织栅机牵引，通过织栅机上的浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池已开好的槽上面进行烘干，翻转。再用织栅机将上述铜丝牵引经过织栅机上的银浆，在镀有SnBi的金属合金铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池背面相应的位置上进行烘干，然后进行烧结，最后对电池片的性能进行分选。
实施例六：在HBC电池上制备新型合金电极
如图7所示，首选选取n型晶体硅片，对其进行化学清洗并制绒，然后在n型晶体硅的两面利用PECVD工艺先沉积一层本征非晶硅层，再在电池的迎光面沉积一层SiN减反射膜，之后在电池的另一面的本征非晶硅层上分别沉积n型非晶硅层和p型非晶硅层，之后再利用溅射的方法分别在n型非晶硅层和p型非晶硅层制备透明导电薄膜(TCO膜)，再将镀有SnSr的铜丝采用织栅机牵引，先通过织栅机上的树脂型低温浆料后在镀有金属合金的铜丝上附着一薄层银浆，将粘附有银浆的金属线按要求放置在电池片透明导电薄膜上进行烘干，然后在低温烧结炉中进行烧结，和透明导电膜形成具有一定结合力的金属电极，最后对电池片的性能进行分选。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (8)

1.一种太阳电池新型电极，其特征在于：包括铜丝，所述铜丝的表面还包覆有金属镀层，所述金属镀层表面还附着有银浆层；所述金属镀层由一元金属材料、二元合金材料、三元合金材料或更多元的合金材料制成；所述一元金属材料为Ag、Sn、Ni、Au、Bi中的任意一种；所述二元合金材料为Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au中的任意一种；所述三元合金材料为Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-Bi中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种太阳电池新型电极，其特征在于：所述铜丝的截面形状为圆形、矩形、三角形、或其他规则及不规则形状。
3.根据权利要求1所述的一种太阳电池新型电极，其特征在于：所述金属镀层的厚度为1um～10um。
4.一种太阳电池新型电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在铜丝上采用浸镀或电镀的方法镀上一层Ag、Sn、Ni、Au、Bi中的任意一种单质金属，或Sn-Pb、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Au中的任意一种二元合金材料，或Sn-Ag-Sb，Sn-Ag-Bi中的任意一种三元合金材料，或更多元的合金材料；
(2)将数根镀有金属合金的铜丝采用织栅机牵引，通过织栅机上的银浆料在镀有金属合金的铜丝上附着一层薄银浆；如果要制备太阳电池的背电极，就在镀有金属合金的铜丝上粘附背面银浆，如果要制备太阳电池的正面电极，就在镀有金属合金的铜丝上粘附正面银浆；
(3)将附着有银浆的铜丝按要求放置在太阳电池片的一面后，进行烘干、翻转；再放置另一面，再烘干，然后烧结，最终形成太阳电池的合金电极。
5.根据权利要求4所述的一种太阳电池新型电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的太阳电池为常规铝背场太阳电池、PERC太阳电池、PERL太阳电池、PERT太阳电池、TOPCon太阳电池、IBC太阳电池中的任意一种时，就在镀有金属合金的铜丝上粘附可用于高温烧结的正面银浆和背面银浆。
6.根据权利要求4所述的一种太阳电池新型电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的太阳电池为HIT太阳电池、HJT太阳电池、HBC太阳电池或其它薄膜太阳电池中的任意一种时，就在镀有金属合金的铜丝上粘附低温银浆。
7.根据权利要求4所述的一种太阳电池新型电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的金属镀层要求是在温度大于150℃时不易氧化。
8.权利要求4所述的一种太阳电池新型电极的制备方法，在制备太阳电池的细栅线、主栅线及背电极上的应用。
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