太陽能電池金屬化方法、熱熔氣溶膠墨水和氣溶膠噴射印製系統的製作方法

2023-05-09 02:22:06

專利名稱：太陽能電池金屬化方法、熱熔氣溶膠墨水和氣溶膠噴射印製系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在太陽能電池上施敷導電結構的新方法，其中藉助於氣溶膠 噴射印製系統將熱熔氣溶膠墨水噴成霧狀，並從印製系統朝向太陽能電池的方向噴出，其 中該印製系統至少部分被加熱，以便使所用的墨水保持低粘度。當墨水接觸未被加熱的基 片(太陽能電池)時，墨水凝結。
背景技術：
對於在太陽能電池上的導電接觸部，特別是正面的接觸部，力求使接觸面儘可能 小，並且同時使接觸柵格保持高導電性。小的接觸面避免陰影太大並減少載流子的再結合。 接觸柵格的良好導電性減少了電損耗。使印製接觸部不但實現了儘可能小，並且同時實現 了形成得儘可能高。高度與寬度之比表示為縱橫比。主要藉助於絲網印製對太陽能電池進行金屬化。在此，推動金屬漿料通過篩網，從 而與篩網中的孔相對應地將金屬漿料輸送到基片上。在此，線寬達到60 μ m至120 μ m,高度 為IOym至20μπι。在此，線寬大約比篩網中的孔寬5 μ m至15 μ m。漿料的輕微流動是可 容忍的。絲網印製漿料使用d = 1 μ m和10 μ m之間的顆粒尺寸。為了幾乎完全避免流動，可以應用熱熔漿料。這種絲網印製漿料的關鍵在於在室 溫時粘度高，而在40°C至90°C的較高溫度時粘度低。這是通過用熱塑性聚合系統代替漿料 的溶劑而實現的。在絲網印製和移印(Tampondruck)時使用熱熔漿料進行金屬化。達到良好的縱橫比的另一種可能性是在兩個步驟中構造所述接觸部。在第一步驟 中印製出非常窄而且平面式的金屬層(種子層)，在第二步驟中通過電鍍加強該金屬層。為 使電鍍加強的接觸部實現良好的縱橫比，需要印製非常窄的種子層。種子層越窄，縱橫比可 以越好。用現有的氣溶膠噴射技術可以實現20 μ m以下的線寬。然而，該線寬最多只能達 到2 μ m的高度。氣溶膠噴射墨水的顯著特徵在於低粘度，從而氣溶膠噴射墨水可以容易地 噴成霧狀。氣溶膠墨水包含具有低蒸汽壓力和低粘度的溶劑。在室溫時該墨水的粘度一般 在η = 1帕 秒(Pas)以下。當在像例如矽太陽能電池或玻璃這樣的基片上印製金屬接觸部時，由於墨水的粘 度導致流散，並因此導致印製的線條變寬。這不但在如噴墨技術或氣溶膠噴射技術這樣的 無接觸印製方法中特別明顯，而且在如移印或絲網印製這樣的接觸的方法中也特別明顯。 此外，線條的流動導致塗層高度小並因此導致不利的縱橫比。所述氣溶膠噴射技術是一種噴墨方法，藉助於該噴墨方法有可能印製出平面式的 和薄的線條。該技術被用於在一單個印製過程中建立薄的金屬接觸部(接觸部寬20 μ m至 60 μ m，接觸部高度< 2 μ m)。這些薄的金屬接觸部用作為用於電鍍加強的種子層。然而僅 當該基片加熱到遠高於室溫以上(圖1和2)時，可以實現這個接觸部寬(20 μ m至60 μ m)。 加熱造成氣溶膠中的溶劑在接觸基片之後蒸發，墨水變幹，從而墨水在基片上不能進一步 流動。為此需要100°C至200°C的溫度。到目前為止，這樣高的基片溫度使得該印製方法的工業應用很困難或者阻礙該印製方法的工業應用，因為與在室溫時印製的情況相比，該周 期時間較短。此外，溶劑和高溫的結合通常存在變大的安全風險。

發明內容
由此出發，本發明的任務是，提供一種用於在太陽能電池上製造導電結構的優化 方法，該方法使得可以自動且可重複地在太陽能電池上實施金屬化。尤其是，在此可以獲得 被實施接觸部的有利的縱橫比。這個任務藉助於根據專利權利要求1的本發明的方法被解決。由專利權利要求 18，提供一種在金屬化過程中具有有利特性的熱熔氣溶膠墨水。在專利權利要求27中給出 一種根據本發明的用於對太陽能電池進行金屬化的氣溶膠噴射印製系統。因此，根據本發明的方法涉及一種在太陽能電池上施敷導電結構的方法，其中借 助於氣溶膠噴射印製系統在太陽能電池的基片表面上施敷導電接觸部，將熱熔氣溶膠墨水 噴成霧狀，並且該氣溶膠噴射印製系統至少部分被加熱，同時要求所使用的熱熔氣溶膠墨 水在溫度不低於40°C時具有η彡1帕·秒的粘度。因此，在根據本發明的方法中，氣溶膠噴射印製系統中的熱熔氣溶膠墨水在已升 高的溫度中噴成霧狀，該墨水具有一個限定的有利的粘度，該粘度使墨水有利地霧化成為 可能。根據本發明，在溫度不低於40°c時該粘度必須是帕 秒。隨後，將這樣噴成霧狀 的墨水從氣溶膠噴射印製系統朝向太陽能電池(基片)方向噴出。在墨水接觸基片時，該 墨水突然被冷卻並凝結在那裡。現在，由此形成的金屬接觸部的特徵為從1 3至1 10，優選從1 3至1 5 的優異的縱橫比(高度與寬度之比)。在此，對於該方法重要的是，通過調整粘度和成份如此選擇所使用的熱熔氣溶膠 墨水，以使得可以實現權利要求1中給出的粘度，該粘度在不低於40°c時η < 1帕·秒。在此，所使用的熱熔氣溶膠墨水含有作為固體分散在熱塑性化合物中的50至 90(重量)％的導電顆粒。為能形成確定的接觸，所採用的導電顆粒優選具有小於500nm的 直徑d9(l。此外，該墨水可以含有其他固體，特別是金屬氧化物和/或玻璃燒結物。該固體分散於其中的墨水熱塑性化合物，尤其是一種或多種C14-至C2tl-醇和/或 熱塑性聚合物。優選是C14-C16醇。在該方法下優選使用的墨水具體用下列配方限定a) 50至90 (重量)％固體，包括金屬顆粒、金屬氧化物和/或玻璃燒結物，b) 10至20 (重量)％的C14-至C2tl線性醇熱塑性化合物，c) 10至30 (重量)％的溶劑，和d) 0. 01至1 (重量)％外加劑，其中各配方成份a)至d)的累計值等於100(重量)％。正如已經闡明的，對於該方法重要的是，所採用的墨水這樣配方，使之在提高的溫 度下能夠毫無問題地噴成霧狀。可以證明，在室溫下該墨水必須具有η彡200帕·秒的粘度，以防止它在基片上 擴展。在室溫下有利的粘度處於200和5000帕·秒之間，特別優選在200和500帕·秒之 間。
這時，正如從現有技術已知的，該要使用的系統包括至少一個霧化器、濃縮器(虛 衝擊器)和印製頭。按照本發明現在規定，氣溶膠噴射印製系統的至少一個這種組成部分 要部分地被加熱，以便獲得希望的特性。這裡可以用加熱至70至100°C的霧化氣體進行操作。在印製系統內部該墨水應該保持為40至70°C的溫度。濃縮器(虛衝擊器)、印製 頭以及連接各組成部分的輸送管宜保持為50至100°C的溫度。要強調，所採用的氣溶膠噴射印製系統被形成為全部都可以被加熱是特別有利 的。因此，採用該方法可以在太陽能電池上施敷導電接觸，特別是進行金屬化。通過獲 得特別有利的所施敷的金屬化的縱橫比，該方法優選適用於對太陽能電池前側接觸部進行 施敷。這時，基片表面是由(例如，用Si02, SiNx, TC0, α -Si, TiO2)塗敷或未塗敷狀態 下的矽或者玻璃形成。這時，推薦的縱橫比等於1 3至1 10，優選是1 3至1 5。此外，採用本方法時，太陽能電池的基片表面不必加熱或應冷卻。這裡重要的是， 基片表面處於這樣的溫度，使得所採用的墨水出現在該基片上時在儘可能短的時間內凝 固。接著，正如從現有技術已知的，在上述類型的金屬化製造中，為了增強或者放大和 /或為了提高所施敷的金屬化結構的導電性，優選通過銀和/或銅的電鍍進行電鍍增厚或 者加強。此外，本發明還涉及上述的熱熔氣溶膠墨水。對粘度有目的控制特別是通過所採用熱塑性聚合物的數量和類型進行。這時，該 粘度η等於RT > 200帕 秒，它們優選處於200至5000帕 秒的範圍內，特別優選在200 至500帕·秒的範圍內。為了加入未來的金屬顆粒特別是從包括銀、鎳、錫、鋅、鉻、鈷、鎢、鈦和/或它們的 混合物在內的組中選擇的。此外，特別優選在該墨水中含有金屬氧化物，氧化鉛、氧化鉍、氧化鈦、氧化鋁、氧 化錳和/或它們的混合物。這時，該熱塑性化合物從包括C16至C2tl，優選C14-C16線性脂(肪)族醇和/或多價 醇，如己烷1，6 二醇在內的組中選擇。在該墨水所包含的溶劑優選從乙二醇醚、M-甲基吡咯烷酮、2-(2_ 丁氧基乙氧基) 乙醇和/或它們的混合物中選擇。該熱熔氣溶膠墨水更優選作為外加劑含有分散劑和/或發泡劑。按照本發明還是氣溶膠噴射印製系統，包括至少一個霧化器、一個濃縮器和一個 印製頭以及把這些部件連接起來的連接管，其中按照本發明的印製系統的特徵在於，上述 部件中至少一個被形成為可加熱，最好所有部件都被形成為可加熱。現將根據以下示例性描述以及附圖對本發明作較詳細的說明，該描述不限於這裡 指出的具體的實施方式按照本發明的熱熔氣溶膠墨水的示例
成份，以重量百分數(重量)％表示固體成份(金屬粉末、金屬氧化物、玻璃燒 結物)70. 5 (重量)％，長鏈醇C14+10. 5 (重量)％，蒸氣壓力低的溶劑(乙二醇醚)19 (重 量)％，分散劑0.5(重量)％。用上述熱熔氣溶膠墨水運行圖4示意地描畫的氣溶膠噴射印製系統。


附圖中圖1是傳統的氣溶膠噴射印製系統，其中使用加熱的基片；圖2是傳統的現有技術的氣溶膠噴射印製的結果；圖3是按照本發明的氣溶膠噴射印製系統的示意圖；而圖4是按照本發明的氣溶膠噴射印製方法的結果。
具體實施例方式0049]圖1表示現有技術的氣溶膠噴射印製裝置1，其中霧化器2用霧化氣體工作。在 虛衝擊器3中產生的氣溶膠通過印製頭4附帶地添加聚焦氣體，通過噴嘴5向加熱襯的底 6的方向噴出。這時，7表示XY平臺。然而，採用這個方法只有能達到有欠缺的結果。基片 6的溫度一般等於150°C。通過基片的加熱只能達到一個約2 μ m的小的施敷高度(圖2)和< 1 10的差 的縱橫比，因為墨水流散。圖3示意地表示按照本發明的氣溶膠噴射印製裝置9的結構，現在可以參照它對 按照本發明的方法作較詳細的說明。這裡描述的霧化器10被加熱，並供應按照本發明的氣 溶膠噴射墨水。向霧化器10引入的霧化氣體同樣加熱到70和100°C之間的溫度。所產生 的氣溶膠引入同樣被加熱的虛衝擊器11，其中連接各部件的管輸入或引入部分同樣加熱到 約60°C的工作溫度。向同樣加熱的印製頭12引入聚焦或包圍的氣體必須不加熱，以便聚焦 或包圍的氣體用來有助於冷卻被加熱的氣溶膠，並在通往基片13的路上提高其粘度。這裡 與現有技術明顯的不同是不必加熱基片13，以便所產生氣溶膠微滴在前往基片的路上，至 遲與基片表面接觸時凝固並使之不可能流散。通過在該墨水中含有的長鏈醇同樣保證，該 氣溶膠微滴在凝固時對其他已經粘結的顆粒具有良好的粘結力，並因此保證所施敷的金屬 化向高度有目的地生長，然而其中與現有技術相比可以保持明顯地改善的縱橫比。圖4表示在採用按照本發明的方法對太陽能電池進行金屬化時可以達到的結果。 與圖2相比，可以看出縱橫比得到明顯的改善。這裡達到的金屬化與圖2相比顯得高出非 常多，並呈現優異的縱橫比， 便能夠明顯地改善導電和建立接觸。
權利要求
在太陽能電池上施敷導電結構的方法，其中藉助於氣溶膠噴射印製系統把熱熔氣溶膠墨水噴成霧狀，並以此在太陽能電池的基片表面上施敷導電接觸部，其特徵在於，該氣溶膠噴射印製系統至少部分被加熱，並規定所採用的熱熔氣溶膠墨水在至少40℃的溫度下具有η≤1帕·秒的粘度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所採用的熱熔氣溶膠墨水含有作為固體分 散在熱塑性化合物中的50至90 (重量)％的導電顆粒。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所採用的導電顆粒具有小於500nm的直 徑 d90。
4.如權利要求1至3中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的熱熔氣溶膠墨水除 了含有所述導電顆粒以外，還含有其他固體，優選地含有金屬氧化物和/或玻璃燒結物。
5.如權利要求1至4中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的熱熔氣溶膠墨水含 有至少一種熱塑性化合物，優選地含有一種或更多種C14至C2tl醇和/或熱塑性聚合物。
6.如權利要求1至5中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的熱熔氣溶膠墨水包括a)50至90 (重量)％的固體，包括金屬顆粒、金屬氧化物和/或玻璃燒結物，b)10至20 (重量)％的C14至C2tl線性醇作為熱塑性化合物，c)10至30 (重量)％的溶劑，和d)0.01至1(重量)％的外加劑，其中，各個配方成份a)至d)的累計值等於100(重量)％。
7.如權利要求1至6中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的熱熔氣溶膠墨水在 室溫下具有n彡200帕·秒的粘度。
8.如權利要求1至7中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的氣溶膠噴射印製系 統包括至少一個霧化器、一個濃縮器(虛衝擊器)和一個印製頭。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述霧化器採用加熱至70至100°C的霧化 氣體工作。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，所述熱熔氣溶膠墨水在所述霧化器中 保持為40至70°C的溫度。
11.如權利要求8至10中至少一項所述的方法，其特徵在於，所述濃縮器(虛衝擊器)、 所述印製頭以及連接各個部件的輸送管保持為50至100°C的溫度。
12.如權利要求1至11中至少一項所述的方法，其特徵在於，所採用的氣溶膠噴射印製 系統被設置為全部可加熱。
13.如權利要求1至12中至少一項所述的方法，其特徵在於，對前側接觸部進行施敷。
14.如權利要求1至13中至少一項所述的方法，其特徵在於，所述基片表面由塗敷矽或 玻璃或者未塗敷矽或玻璃形成。
15.如權利要求1至14中至少一項所述的方法，其特徵在於，所澱積的金屬接觸部具有 1 3至1 10的縱橫比(高度與寬度之比)。
16.如上述權利要求中至少一項所述的方法，其特徵在於，所述太陽能電池的所述基片 表面未被加熱或者冷卻。
17.如上述權利要求中至少一項所述的方法，其特徵在於，在氣溶膠噴射印製過程之後，通過電鍍對所施敷的導電結構進行增厚或者加強，優選用銀和/或銅進行。
18.用於氣溶膠噴射印製系統以對太陽能電池的基片表面進行金屬化的熱熔氣溶膠墨 水，其特徵在於，包括a)50至90 (重量)％的固體，包括導電顆粒、金屬氧化物和/或玻璃燒結物，b)10至20 (重量)％的C14至C2tl線性醇作為熱塑性化合物，c)10至30 (重量)％的溶劑，以及d)0.01至1(重量)％的外加劑，其中，各個配方成份a)至d)的累計值等於100(重量)％，而在室溫下的粘度為 η彡200帕·秒。
19.如權利要求18所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，在室溫下的粘度η處於200 至5000帕·秒的範圍內。
20.如權利要求18至19中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述粘度已 通過所用的熱塑性化合物的數量和類型進行了調節。
21.如權利要求18至20中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述導電顆 粒的直徑d9(1小於500nm。
22.如權利要求18至21中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述導電顆 粒是金屬顆粒，優選是從包括Ag、Ni、Zn、Sn、Cr、Co、Ti、W和/或它們的混合物在內的組中 選擇的金屬顆粒。
23.如權利要求18至22中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述金屬氧 化物選自氧化鉛、氧化鉍、氧化鈦、氧化鋁和/或它們的混合物。
24.如權利要求18至23中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述熱塑性 化合物是從包括C14至C16線性脂(肪)族醇和/或它們的混合物在內的組中選擇的。
25.如權利要求18至24中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，所述溶劑選 自乙二醇醚、η-甲基吡咯烷酮、2-(2_ 丁氧基乙氧基)乙醇和/或它們的混合物。
26.如權利要求18至25中至少一項所述的熱熔氣溶膠墨水，其特徵在於，作為外加劑 含有分散劑和/或發泡劑。
27.氣溶膠噴射印製系統，該氣溶膠噴射印製系統包括至少一個霧化器、一個濃縮器和 一個印製頭以及把這些部件連接起來的連接管，其特徵在於，所述霧化器、所述濃縮器、所 述印製頭和/或連接管這些部件中的至少一個部件被設置為可加熱。
28.如權利要求27所述的氣溶膠噴射印製系統，其特徵在於，所有部件都被設置為可 加熱。全文摘要
本發明涉及一種用於在太陽能電池上施敷導電結構的新方法，其中藉助於氣溶膠噴射印製系統將熱熔氣溶膠墨水噴成霧狀，並從印製系統朝向太陽能電池的方向噴出，其中該印製系統至少部分被加熱，以便使所用的墨水保持低粘度。當墨水接觸未被加熱的基片即接觸太陽能電池時，墨水凝結。
文檔編號H01L31/0224GK101919063SQ200880119717
公開日2010年12月15日 申請日期2008年10月13日 優先權日2007年12月7日
發明者斯特凡·格倫茨, 菲利普·裡克特, 馬蒂亞斯·霍特斯 申請人:德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會