CN117894856A - 一种太阳能电池金属电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池金属电极及其制备方法。本发明的太阳能电池金属电极的制备方法包括：依据所需电极形状采用激光刻蚀高分子薄膜制备图案化的掩模版；将图案化的掩模版固定在基板上，采用物理气相沉积方法在图案化的掩模版上镀金属膜，以在基板上生长出所需形状的金属电极或者电极种子层。本发明的方法制作成本低，制备的电极导电率高、同时遮光面积小、光电转化率高。

Description

一种太阳能电池金属电极及其制备方法

本申请是申请号为202010337111.7，发明创造名称为《一种太阳能电池金属电极及其制备方法》的分案申请。申请号为202010337111.7的专利申请的申请日为2020年4月26日。

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种太阳能电池金属电极及其制备方法。

背景技术

太阳能电池能够将太阳能转化为电能，是清洁能源的重要来源。电极是太阳能电池的关键组件，主要为线宽100μm以下的阵列格栅结构。

目前太阳能电池电极的制备普遍采用丝网印刷银浆工艺，得到的电极线宽在30μm以上。由于银浆主要成分是银，成本较高，与此同时，银浆导电率比金属银低很多，为了实现一定的导电率，需要相对比较粗的电极栅线，从而需要较多的原材料，进一步增加了成本；而且电极较粗时，会导致更多的太阳光被遮挡。而且，在印刷薄膜太阳电池电极时，印刷面积0.72平方米或以上，良率低，对设备、工艺的要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能电池金属电极及其制备方法，用于降低制作成本，并使得制备的电极导电率高、同时遮光面积小，使得包括该电极的太阳能电池具有较高的光电转化率。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种太阳能电池金属电极的制备方法，该方法包括：首先，依据所需电极形状采用激光刻蚀高分子薄膜制备图案化的掩模版。接下来，将图案化的掩模版固定在基板上，采用物理气相沉积(PVD)方法在图案化的掩模版上镀金属膜，以在基板上生长出所需形状的金属电极或者电极种子层。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，所述高分子薄膜的材质可以为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚烯烃薄膜(PO)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)，或者其他厚度满足要求的高分子薄膜。高分子薄膜可以是不带粘贴性能的薄膜，也可以是带粘贴性能的高分子薄膜，也即通常所说的胶带。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，所述高分子薄膜的厚度为1μm-500μm。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，制备图案化的掩模版的过程包括采用超快激光(脉冲宽度在ps甚至fs量级的激光)在高分子薄膜上制备出需要的电极形状的狭缝。采用本发明的方法，能够制作加工精细的图案化的掩模版。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，激光刻蚀高分子薄膜的狭缝宽度(即所制备出的电极线的宽度)为1μm-1000μm。

根据本发明的具体实施方案，制备晶硅太阳能电池辅栅或者普通栅线时，狭缝宽度为1μm-100μm。

根据本发明的具体实施方案，制备晶硅太阳能电池辅栅或者普通栅线时，狭缝宽度为1μm-20μm。

根据本发明的具体实施方案，制备晶硅太阳能电池主栅时，狭缝宽度为100μm-500μm。狭缝具体宽度也可具体根据需要的电极形状而定。狭缝长度根据电池电极设计决定。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，所述基板可以是太阳能电池片。将图案化的掩模版固定在太阳能电池片上，采用PVD方法在图案化的掩模版上镀金属膜，以直接在太阳能电池片上生长出所需形状的金属电极。所述基板也可以是其他膜板(这里的其他膜板是指不同于图案化的掩模版的另一块模板)，在基板上镀金属电极后，将其转移到太阳能电池中作为太阳能电极。例如，可以是在一个塑料薄膜(具有完整平面即可，例如透明的PET薄膜)上生长出来电极，然后将带有电极的薄膜直接翻过来扣在太阳电池上，同样实现制作出太阳能电池电极的目的。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，将图案化的掩模版固定在基板上的方法，包括采用双面胶、胶水、固定的卡槽、载片台中的一种或多种的组合方式。如果图案化的掩模版采用的是带粘贴性能的胶带时，则固定方法可为直接粘贴。

本发明中，所述太阳能电池片包括已经制备完一个或多个PN结并能产生光生伏特效应的器件统称。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，采用物理气相沉积方法在图案化的掩模版上镀金属膜时，PVD方法包括单一的PVD工艺或者几种PVD工艺结合的方法。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，所采用的金属包括单一金属、或者合金、或者多种金属的叠加、或金属与合金叠加、或者合金与合金的叠加。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，在采用PVD方法在图案化的掩模版上镀金属膜前，预先沉积一层非金属膜，做为缓冲层，亦可不加该缓冲层。

根据本发明的具体实施方案，本发明的太阳能电池金属电极的制备方法中，可在基板上生长出所需形状(即与图案化的掩模版的狭缝形状基本一致的细线)的金属电极或者电极种子层后，去除图案化的掩模版。

本发明的制备方法，可直接制备满足导电要求的电极使用，也可制备尚未达到导电要求的电极作为电极种子层，后续通过电镀等非真空工艺，也即更加便宜的工艺，继续制备完整的电极。

第二方面，本发明还提供了按照上述方法所制备得到的金属电极。本发明所制备的电极，可直接使用，也可作为电极种子层。

第三方面，本发明还提供了一种太阳能电池，其包括按照上述方法制备的金属电极。

第四方面，本发明还提供了一种太阳能电池的制备方法，其包括按照本发明所述太阳能电池金属电极的制备方法制备金属电极的过程。

第五方面，本发明还提供了一种图案化的掩模版，其是依据所需电极形状采用激光刻蚀高分子薄膜制备得到的。本发明采用便宜的高分子薄膜做图案化的掩模版，用激光划线可以制得具有较细(例如1-20μm任意宽度)且精确可控的狭缝的图案化的掩模版用于制备电极。

综上所述，本发明提供了一种太阳能电池金属电极的制备方法，其具有以下特点：

1、制作成本低：本发明所用的图案化的掩模版、激光制备工艺以及PVD工艺成本均较低；

2、制备得到的电极导电率高：所用金属的导电率高于银浆；

3、遮光面积更小：激光制备的狭缝可以细至1-20μm甚至1-10μm，比现有印刷工艺(30μm-80μm)更细，遮光更小，效率更高，且精确可控。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1中图案化的掩模版示意图；

图2为实施例1中将图案化的掩模版固定在太阳能电池片上的示意图；

图3为实施例2中图案化的掩模版示意图；

图4为实施例2中将图案化的掩模版固定在太阳能电池片上的示意图；

图5为实施例3中图案化的掩模版示意图；

图6为实施例3中将图案化的掩模版固定在太阳能电池片上的示意图；

图7为实施例3中将本发明制备的电极与太阳能电池集成示意图；

图8为实施例4中图案化的掩模版示意图；

图9为实施例4中将图案化的掩模版固定在太阳能电池片上的示意图；

图10为实施例4将本发明制备的电极与太阳能电池集成示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

实施例1、HIT太阳能电池电极辅栅的制备

本实施例提供了一种HIT太阳能电池辅栅电极的制备方法，其包括：

(1)用激光制备图案化的掩模版：用激光在30μm厚的PET或PI塑料薄膜上切割出间隔2mm、宽度为20μm的狭缝，得到PET或PI材质的图案化的掩模版10，如图1所示。狭缝形状根据需要决定。

(2)将PET或PI材质的图案化的掩模版10用双面胶固定在已制备完透明导电膜的HIT太阳能电池片20上方，双面胶须避开步骤(1)中所述的狭缝，如图2所示。

(3)采用物理气相沉积(PVD)的方法镀膜，制备金属电极：先用磁控溅射的方法镀20nm厚的镍，然后用蒸发的方法镀8μm厚的铝。

(4)剥离PET或PI材质的图案化的掩模版10即可得到间距2mm、线宽20μm、高度8μm的电极栅线。

(5)在电池片另一面重复步骤(1)-(4)，即得到另一面的电极栅线。

此实施例的电极成本明显低于丝网印刷银浆工艺，与此同时，20μm的栅线比现有技术栅线窄，可以减少太阳光遮挡从而提高太阳电池转化效率。

以166mm硅片为例，对比现有技术电极工艺与本发明所制备的电极如下：

(1)成本对比：

现有技术工艺：辅栅银浆用量92-125毫克，银浆单价4800-5500元/千克，成本约为0.5元/片；

本发明技术：30μm厚PET膜成本：0.1元/片(30μm厚PI膜成本：0.12元/片，注：PI耐高温，形变小，可重复使用，按5次计算)，Al用量(含损耗)2.8克，1.7元/千克，0.05元/片，胶水、激光合计0.03元/片，总合计0.18元/片(或者用PI膜0.20元/片)。

(2)遮光面积对比：

现有技术工艺：辅栅40μm，间距1.7mm，遮光率2.35％；

本发明技术：辅栅20μm，间距2.0mm，遮光率1.0％。

由上述比较可知，本发明可以实现比现有技术遮光减少57％，同时，成本减少60％。

实施例2、HIT太阳能电池电极(辅栅+主栅)的制备

本实施例提供了一种HIT太阳能电池电极的制备方法，其包括：

(1)用激光制备图案化的掩模版：用激光在35μm厚自带粘性的PO塑料薄膜上切割出电极所需要的狭缝，图案见图3，得到PO材质的图案化的掩模版30，如图3所示。

(2)将PO材质的图案化的掩模版30粘贴在已制备完透明导电膜的HIT太阳能电池片40上，如图4所示。

(3)采用物理气相沉积(PVD)的方法镀膜，制备金属电极：先用磁控溅射的方法镀20nm厚的镍，然后用蒸发的方法镀8μm厚的铝。

(4)剥离PO材质的图案化的掩模版30即可得到间距2mm、线宽20μm、高度8μm的辅栅线，以及，每33mm一条宽300um、高8um的主栅线。

(5)在电池片另一面重复步骤(1)-(4)，即得到另一面的电极栅线。

此实施例的电极成本明显低于丝网印刷银浆工艺，与此同时，20μm的辅栅线、300μm的主栅线均比现有技术栅线窄，可以减少太阳光遮挡从而提高太阳电池转化效率。

以166mm硅片为例，对比现有技术电极工艺与本发明所制备的电极如下：

(1)成本对比：

现有技术工艺：辅栅银浆用量165-180毫克，银浆单价4800-5500元/千克，成本约为0.85元/片；

本发明技术：35μm厚PO膜成本：0.18元/片，Al用量(含损耗)2.8克，1.7元/千克，0.05元/片，激光0.01元/片，总合计0.26元/片。

(2)遮光面积对比：

现有技术工艺(5BB)：辅栅40μm，间距1.7mm，主栅0.7mm，间距33mm。

遮光率4.5％；

本发明技术：辅栅20μm，间距2.0mm，主栅0.3mm,间距33mm。遮光率1.9％。

由上述比较可知，本发明可以实现比现有技术遮光减少58％，同时，成本减少70％。

实施例3、薄膜太阳能电池电极的制备

本实施例提供了一种薄膜太阳能电池(碲化镉太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池，钙钛矿太阳能电池)电极的制备方法，其包括：

(1)用激光制备图案化的掩模版：用激光在65μm厚自带粘性的PVC塑料薄膜上切割出间隔4mm、宽度为80μm狭缝，狭缝图案见图5，得到PVC材质的图案化的掩模版50，如图5所示。

(2)将PVC材质的图案化的掩模版50粘贴在100μm厚的PET薄膜60上，如图6所示。

(3)采用物理气相沉积(PVD)的方法镀膜，制备金属电极：先用磁控溅射的方法镀20nm厚的镍，然后用蒸发的方法镀2μm厚的铜，然后再用磁控溅射的方法镀20nm厚的镍。

(4)剥离PVC材质的图案化的掩模版50即可得到长在PET膜上的间距4mm、线宽80μm、高度2μm的电极。

(5)将第(4)步得到的生长在PET薄膜60上的电极70贴在镀完透明导电膜层的薄膜太阳能电池80上，电极70一侧面向太阳能电池。即完成电极制备。如图7所示。经过后续层压等工艺，电极会贴在电池表面。

此实施例的电极有如下优势：

a.将电极生长在PET薄膜，然后倒贴于电池表面，可减少因电极工艺不良导致的整个组件的报废，尤其适用于薄膜太阳电池的电极的制备。相比晶硅太阳电池长宽均为166mm的尺寸，薄膜太阳电池需要在尺寸为600mm宽1200mm或者更大的衬底上制备电极，尺寸越大，制备的良率越低。

b.成本低于丝网印刷银浆工艺。

实施例4、先做电极种子层，后用非真空工艺完成电极制备

本实施例提供了一种先做电极种子层，后用非真空工艺完成电极制备的方法，其包括：

(1)用激光制备图案化的掩模版：用激光在65μm厚自带粘性的PVC塑料薄膜上切割出间隔2mm、宽度为30μm狭缝，狭缝图案见图8，得到PVC材质的图案化的掩模版90，如图8所示。

(2)将PVC材质的图案化的掩模版90粘贴在100μm厚的PO薄膜100上，如图9所示。

(3)采用物理气相沉积(PVD)的方法镀膜，制备金属电极种子层：用磁控溅射的方法镀200nm厚的铜。

(4)剥离PVC材质的图案化的掩模版90即可得到长在PO膜上的间距2mm、线宽30μm、高度200nm的电极种子层。

(5)用电镀工艺将第(4)步得到的电极种子层上继续镀膜至3μm高度。

(6)将第(5)步得到的生长在PO薄膜100上的电极110贴在镀完透明导电膜层的薄膜太阳能电池或者HIT电池120上，电极110一侧面向太阳能电池。即完成电极制备。如图10所示。经过后续层压等工艺，电极会贴在电池表面。

此实施例的电极有如下优势：

a.非真空电镀工艺是低温工艺，可以快速完成电极生长；

b.成本低于丝网印刷银浆工艺。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (13)

1.一种太阳能电池金属电极的制备方法，其特征在于，包括：

依据所需电极形状采用激光刻蚀高分子薄膜制备图案化的掩模版；

将所述图案化的掩模版固定在基板上，采用物理气相沉积方法在图案化的掩模版上镀金属膜，以在基板上生长出所需形状的金属电极或者电极种子层。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子薄膜的厚度为1μm-500μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备图案化的掩模版的过程包括采用超快激光在高分子薄膜上制备出需要的电极形状的狭缝。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述狭缝宽度为1μm-1000μm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备晶硅太阳能电池辅栅或者普通栅线时，狭缝宽度为1μm-100μm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，狭缝宽度为1μm-20μm。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备晶硅太阳能电池主栅时，狭缝宽度为100μm-500μm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基板为太阳能电池片或其他膜板。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将图案化的掩模版固定在基板上的方法，包括采用双面胶、胶水、固定的卡槽、载片台中的一种或多种的组合方式。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所采用的金属包括单一金属、或者合金、或者多种金属的叠加、或金属与合金叠加、或者合金与合金的叠加。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在采用物理气相沉积方法在图案化的掩模版上镀金属膜前，还包括预先沉积一层非金属膜，作为缓冲层。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该方法还包括：在基板上生长出所需形状的金属电极或者电极种子层后，去除图案化的掩模版。

13.一种太阳能电池的制备方法，其包括按照权利要求1-12任一项所述制备方法制备金属电极的过程。