一種用於晶體矽太陽電池柵線的非接觸式製備系統及方法與流程
2023-09-12 16:56:45
本發明屬於晶體矽太陽電池領域，具體涉及一種用於晶體矽太陽電池柵線的非接觸式製備系統及方法。
背景技術：
晶體矽太陽電池包含形成結的P型和N型擴散區，交界區形成P-N結。當光線照射到晶體矽表面時，一部分光子被晶體矽材料吸收，光子的能量傳遞給矽原子，使電子發生躍遷，成為自由電子並在P-N結兩側聚集，產生電位差。當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。傳統的晶體矽太陽電池金屬鍍膜工藝通常由絲網印刷技術來完成，即將含有金屬的導電漿料透過絲網網孔壓印在矽片上形成電路或電極。典型的晶體矽太陽能電池從頭到尾整個生產工藝流程中需要進行多次絲網印刷步驟。絲網印刷設備簡單、操作方便，適應性強，在太陽電池製作中得到了廣泛應用。
但絲網印刷工藝是一種典型的接觸式製備方法，在製備過程中孔板需要與基材單晶矽片或多晶矽片進行緊密接觸。由於製備晶體矽太陽電池的矽基厚度非常小、晶體矽本身的硬度大、脆性大等因素，極易造成晶體矽片破碎，難於控制製備成本。同時，網版上的柵格線寬一般在60-80um之間。而印刷後導電銀漿會比絲網版上的寬度有所增加，印刷後的銀漿在燒結後的寬度在80-100um之間。但由於印刷後的柵線寬度一般在15-20um，造成串聯電阻較大，限制了晶體矽太陽電池的光電轉換效率。
技術實現要素：
本發明的目的在於解決上述現有技術中存在的難題，提供一種用於晶體矽 太陽電池柵線的非接觸式製備系統及方法，將噴墨列印技術引入到晶體矽太陽電池柵線製造過程中，替代傳統絲網印刷製備工藝，解決太陽電池製備過程的碎片率高，柵線的高寬比低，光電轉化效率不足等技術缺陷。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種用於晶體矽太陽電池柵線的非接觸式製備系統，包括噴墨列印噴頭和加熱片；
在所述噴墨列印噴頭上設置有噴孔；
晶體矽片放置在所述加熱片上；
所述噴頭與晶體矽片上的柵線平行設置，噴頭上的每行噴孔均與晶體矽片上的柵線平行；
噴印墨水從所述噴孔中滴出形成墨滴，在晶體矽片上依次列印各層柵線，形成柵線結構。
所述噴墨列印噴頭採用壓電式列印噴頭；所述墨滴為納米導電材料；所述噴孔的尺寸小於晶體矽片上的柵線的寬度。
所述加熱片設置在移動臺上，移動臺能夠與噴墨列印噴頭發生相對移動；所述加熱片的加熱溫度範圍為30～200攝氏度。
利用所述用於晶體矽太陽電池柵線的非接觸式製備系統實現的用於晶體矽太陽電池柵線的非接觸式製備方法，所述方法包括：
(1)、根據晶體矽片的大小設計噴墨列印噴頭所需的點陣數據；
(2)、調整噴墨列印噴頭的參數，在滿足噴頭的工作頻率極可能高的條件下，使噴孔噴射出的墨滴圓潤光滑，無拖尾形態和衛星液滴，並且墨滴的尺寸要儘可能的小；
(3)、對晶體矽片進行印前處理，增加晶體矽片的疏水性；
(4)、對晶體矽片進行預加熱；
(5)、噴墨列印噴頭工作，將噴印墨水沉積到晶體矽片上；
(6)、低溫預固化，形成納米顆粒組成的柵線：藉助晶體矽片的熱量使墨水 中的醇類物質揮發，並使高分子粘合劑分解、燃燒掉，形成納米顆粒組成的柵線；
(7)、高溫固化，形成導電柵線。
(8)、檢驗噴墨列印的成品效果：檢驗噴墨列印的柵線的效果，剔除不合格產品。
所述步驟(1)是這樣實現的：
根據晶體矽片的大小設計所需噴墨列印的柵線圖形，調整所需噴墨列印的比例、位置以及灰度，生成噴墨列印噴頭所需的點陣數據。
所述步驟(2)是這樣實現的：
根據噴印墨水的密度、粘度和表面張力這三個參數，調整噴墨列印噴頭的參數，所述噴墨列印噴頭的參數包括驅動電壓的脈衝幅度、脈衝時長、脈衝波形之間的間隔。
所述步驟(3)是這樣實現的：
對晶體矽片進行疏水處理，疏水處理後，墨滴與晶體矽片的表層二氧化矽的接觸角小於80度。
所述步驟(4)是這樣實現的：
將晶體矽片放置於加熱片上進行預加熱，加熱溫度為75～85攝氏度。
所述步驟(5)是這樣實現的：
晶體矽片勻速通過噴墨列印噴頭的下方，噴墨列印噴頭工作，將噴印墨水按步驟(1)獲得的點陣數據要求沉積到晶體矽片上；
為保證柵線具有更大的高寬比，晶體矽片上的同一位置需要列印多次形成疊層結構，才能符合柵線結構的要求；
晶體矽片上的同一位置需要重複噴墨列印的次數的計算公式如下：
所述步驟(7)是這樣實現的：
將晶體矽片放到真空烘箱進行加熱，加熱溫度為250-300攝氏度，使納米顆粒融化，形成導電柵線。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明採用噴墨列印這種非接觸式的半導體器件加工方式，有效地避免了因接觸而造成晶體矽片的碎裂情況的方式，有效地降低了碎片率，明顯降低了製造成本。此外，噴墨列印技術也是一種典型的增材製造技術，通過高精度的噴墨列印不僅可以降低柵線的寬度，提高柵線密度，還可以通過逐層加工、層層疊加的加工方式提升柵線的高度，提升高寬比，降低串聯電阻，提升太陽電池的光電轉化效率。不僅如此，噴墨列印工藝簡單，易實現，能耗低，汙染少，利於光伏企業降低運營成本。
附圖說明
圖1為本發明製備方法的流程示意圖。
圖2為本發明製備太陽電池柵線的示意圖。
圖中：1為噴墨列印噴頭，2為噴孔，3為墨滴(納米導電材料)，4為列印製備的柵線頂層，5為列印製備的柵線第二層，6為列印製備的柵線第三層，7為列印製備柵線結構，8為晶體矽片，9為加熱片。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
本發明的系統如圖2所示，包括噴墨列印噴頭1(可以採用壓電式列印噴頭，其分為「連續型」的列印噴頭和「按需列印型」噴頭兩類，市場上常用的是「按需列印」噴頭；目前市場上常用的有Konica公司的KM系列噴頭，Xaar公司生產的XJ系類噴頭等等，Spectra公司的SE系類噴頭，以及其它品牌的很多種噴頭。)和加熱片9(加熱片可以直接購買成品，也可以採用電阻絲加一個溫度傳感器製作而成；材質主要採用鋁，因為鋁的比熱大，保溫性好，材質要厚一點，傳熱均勻，加熱溫度範圍在30～200攝氏度即可)，在所述噴墨列印噴頭上設置 有噴孔2(每一行噴孔2均與柵線平行，這樣才可以保持效率和準度，一個噴頭上可能有一行噴孔，也可能有多行噴孔，為了精確，一般選擇2行以上包含2行的，選一行的也完全可以)，墨滴3(納米導電材料)從噴孔中滴出，在晶體矽片8上依次列印製備的柵線頂層4，列印製備的柵線第二層5，列印製備的柵線第三層6，列印製備柵線結構7。
噴墨列印噴頭的噴孔的尺寸小於柵線寬度(相鄰兩個噴孔之間的距離根據噴頭的種類而不同，一般範圍在25～75um)；
噴頭的擺放與柵線保持平行。
晶體矽片8直接放置在加熱片上9即可。
對噴墨列印噴頭1和加熱片9之間的距離沒有特定要求，一般技術上會控制在2mm以內。
加熱片的內部是電阻絲，外部是鋁，由內向外傳熱。
如圖1所示，本發明方法包含以下步驟：
(1)、生成噴墨列印噴頭所需的點陣數據；
(2)、調整噴墨列印噴頭的參數；
(3)、晶體矽片進行印前處理；
(4)、晶體矽片預加熱；
(5)、噴墨列印噴頭工作，將墨水沉積到晶體矽片上；
(6)、低溫預固化，形成納米顆粒組成的柵線；
(7)、高溫固化，形成導電柵線。
(8)、檢驗噴墨列印的太陽電池的成品效果。
為保證噴墨列印製備出的晶體矽太陽電池柵線具有更大的高寬比，同一位置可能需要列印多次形成疊層結構。晶體矽片的同一位置的噴墨列印次數與納米材料墨水的含量(也稱濃度)成反比關係。含量越高，噴墨列印的次數越少，反之亦然。同一點需要重複噴墨列印的次數計算公式如下：
本發明具體實施方案包括以下步驟：
(1)、根據所需加工的太陽電池晶體矽片的大小設計所需噴墨列印的柵線圖形(柵線的形式是固定的，不同的是柵線的寬度、間隔、數量上略有不同，這個可以根據設備的精度來做調整。)，調整所需噴墨列印的比例、位置以及灰度(矽片的型號很多，目前有80mm*80mm、125mm*125mm、156mm*156mm的以及其它尺寸的很多種，這就需要調整列印圖形的比例，位置，當然也需要調整灰度，灰度直接決定柵線的高度，灰度越高柵線高度越大，比例放大了，但柵線的高寬比不變，因為寬度一直保持一個像素寬，所以需要加強灰度，保持高寬比不變。)。經過圖像處理算法(採用的是列印數據排布算法，可參考文獻：劉志軍「大幅面彩色噴墨繪圖機控制器研究」西安電子科技大學，2007)，生成噴墨列印噴頭1所需的點陣數據。
(2)、根據所測定噴印墨水的密度、粘度和表面張力這三個參數，通過調整噴墨列印噴頭1的參數(主要是噴頭的驅動電壓的脈衝幅度、脈衝時長、脈衝波形之間的間隔等參數信息)，在滿足噴頭的工作頻率極可能的高的條件下，使噴孔2噴射出的墨滴3圓潤光滑，無明顯拖尾形態和衛星液滴，並且墨滴3的尺寸要儘可能的小。
(3)、增加晶體矽片疏水性(通過等離子機進行疏水處理，在晶體矽片的表面沉積一層疏水膜，如含氟類物質或單純烷基鏈的疏水劑都可以)，疏水處理後，墨水在晶體矽片8表層二氧化矽的接觸角小於80度。
(4)、將晶體矽片8放置於加熱片9上進行預加熱，加熱溫度80攝氏度左右(75～85攝氏度即可)。預加熱溫度不易太高，否則在後續步驟中滴在晶體矽片9上墨滴3的醇類會快速沸騰，影響固化效果。
(5)、晶體矽片8勻速通過噴墨列印噴頭下方，噴墨列印噴頭1工作，將納米材質墨水按點陣數據要求沉積到晶體矽片8上，同時，為保證噴墨列印製備出的晶體矽太陽電池柵線具有更大的高寬比，同一位置可能需要列印多次，才能符合列印製備柵線結構7(列印製備柵線結構7是對所有柵線結構的總稱， 圖2是一個示意圖，4、5、6最終都成為7的一部分的)的要求。列印製備柵線結構從下到上依次列印製備的柵線第三層6、製備的柵線第二層5、製備的柵線頂層4。
噴頭和加熱片是相對移動的，可以將加熱片放置在一個移動臺上的，根據實際情況，移動臺可以設計既有橫向左右移動又有縱向前後移動功能的，或者設計成只有橫向左右移動功能的移動臺。如果是採用多個噴頭同時工作的情況，列印完多行後，就不需要縱向移動加熱片，只需回到原位後列印下一行即可，這樣只有橫向左右移動功能的移動臺即可滿足要求，如果噴頭不足，列印完一行後，就需要縱向挪動加熱片，這就需要既能夠橫向左右移動又能夠縱向前後移動的移動臺。
(6)、藉助晶體矽片的熱量使墨水中醇類物質迅速揮發，並使高分子粘合劑分解、燃燒掉，形成納米顆粒組成的柵線。
(7)、高溫固化。將晶體矽片放到真空烘箱進行加熱，加熱溫度為250-300攝氏度，使納米顆粒融化，形成導電柵線。加熱溫度不宜太高，否則會影響晶體矽表面結構。
(8)、檢驗噴墨列印的晶體矽太陽電池柵線效果，剔除不合格產品。
進一步，下面通過具體數值對本實施例做進一步說明：
矽片選用125mm*125mm的晶體矽片，噴頭選用14pL特性噴頭，噴頭含有128個噴孔，墨水的含銀量為23％，目標柵線高度為25um，柵線寬度45um。為實現此實施例，需對噴頭的驅動電壓的脈衝幅度、脈衝時長、脈衝波形之間的間隔這些參數進行調節，將墨滴尺寸控制在10pL附近。同一點需要重複噴墨列印的次數計算公式如下：
通過上式計算得到，同一點噴墨列印次數為61次，約為總噴孔數的一半，因此讓噴孔間隔工作即可實現此實施例。
上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對於本領域內的技術人員而言， 在本發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限於本發明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選的，而並不具有限制性的意義。