一種電鍍法製備太陽電池柵線電極的方法與流程
2023-10-10 06:45:04 3
本發明屬於太陽電池領域，尤其是涉及一種電鍍法製備太陽電池柵線電極的方法。
背景技術：
電鍍是利用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料製作的表面附有一層金屬膜的工藝從而起到防止金屬氧化、提高耐磨性、導電性、反光性、抗腐蝕性及增進美觀等作用。電鍍時，鍍層金屬或其它不溶性材料作陽極，待鍍的工件作陰極，鍍層金屬的陽離子在待鍍件的表面被還原成金屬鍍層。作為一種成本較為低廉的技術，電鍍方法在太陽電池製備電極領域也有應用。太陽電池的上表面鍍有金屬柵線電極，光照從金屬柵線間隙照射進太陽電池，從而產生光生電流，光生電流通過金屬柵線進行收集，並傳輸到外接電極。太陽電池下表面也鍍有金屬層，金屬層與外接電極連接，這樣使得太陽電池的上表面、下表面與外接電路形成迴路。
目前絲網印刷技術是製作太陽電池電極的主流工藝。但是由於絲網印刷技術本身客觀條件的限制，一方面印刷的電極線寬較寬，導致電池片的遮光面積較大；另一方面印刷的電極難以獲得較高的高寬比。為增加電池片的有效受光面積，並獲得較高高寬比的電極，一般採用真空蒸鍍製備太陽電池柵線電極，真空蒸鍍是將工件放入真空室，並用一定的方法加熱，使鍍膜材料蒸發或升華，飛至工件表面凝聚成膜，蒸汽粒子的空間分布影響了蒸發粒子在基體上的沉積速率以及基體上的膜厚分布。但製作出來的太陽電池柵線電極高度相同，電流傳輸效率有限，柵線處以及柵線以外都會生長金屬，浪費原料，製作的電池柵線的橫截面為層疊橫截面，有暴露在外的表面，內部金屬容易受到外界腐蝕影響。
技術實現要素：
本發明要解決的問題是提供一種電鍍法製備太陽電池柵線電極的方法，尤其適合太陽電池柵線電極的製備，以克服現有技術中存在的柵線電極生產成本高且材料浪費大、製備的柵線電極不能最優實現電流收集形狀、產品品質不高等問題。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種電鍍法製備太陽電池柵線電極的方法，包括以下步驟：
步驟一：柵線電極光刻板設計：根據對電鍍速率和進入電鍍液速率的優化進行設計；
步驟二：太陽電池預處理：對太陽電池進行光刻處理、腐蝕處理和蒸鍍金屬附著層，得到太陽電池表面的柵線金屬圖形；
步驟三：電鍍；
步驟四：加熱處理：採用熱箱烘烤或者快速熱退火處理方式對太陽電池進行加固，得到太陽電池柵線電極。
其中，步驟三中電鍍的一種方式為：在電鍍之前，將太陽電池底部主柵向下，頂部副柵向上，按照特定速率將太陽電池浸入電鍍液中，當副柵全部進入電鍍液中，結束電鍍。另一種方式為：使電解液沒過太陽電池，保證太陽電池底部主柵向下，頂部副柵向上，開始電鍍，按照特定速率將太陽電池拉出電鍍液，結束電鍍。電鍍包括依次電鍍銀和電鍍金。
其中，步驟二中對太陽電池進行光刻處理、腐蝕處理和蒸鍍金屬附著層包括如下步驟：
步驟一：對太陽電池旋塗光刻膠，然後使用所述的柵線電極光刻板進行曝光處理，經過顯影之後，太陽電池的表面暴露出柵線圖形；
步驟二：對太陽電池用PVD的方法蒸鍍一層金屬；
步驟三：使用有機溶劑去除光刻膠及光刻膠表面的殘留金屬，形成太陽電池表面的柵線金屬圖形。
進一步地，該方法還包括在電鍍之前將太陽電池背面旋塗光刻膠進行保護。
本發明具有的優點和積極效果是：由於採用上述技術方案，可以實現太陽電池柵線的高度漸變，由於光生電流有太陽電池副柵末端流向太陽電池主柵，電流逐漸增加，此種柵線形狀更加適合上電極的電流傳輸；由於電鍍時金屬生長的位置固定在柵線處，柵線以外不會生長金屬，因此更加節省原料，且電鍍時不用抽真空，更加節省成本；可以在電池柵線所有暴露表面都電鍍有保護層，可以保證內部金屬免受外界腐蝕影響。
附圖說明
圖1是本發明的太陽電池片結構示意圖
圖2是本發明的太陽電池片電鍍過程示意圖
圖3是本發明的太陽電池片電鍍後柵線形狀俯視圖
圖4是本發明的太陽電池片電鍍後柵線形狀示意圖
圖5是真空蒸鍍法製備砷化鎵太陽電池片電鍍後柵線截面示意圖
圖6是本發明電鍍法製備砷化鎵太陽電池片電鍍後柵線截面示意圖
圖中：
1、太陽電池 2、太陽電池主柵 3、太陽電池副柵
4、電鍍電源 5、電鍍陽極 6、電鍍液
7、金屬金 8、金屬鍺 9、金屬銀
10、金屬金 11、電池片
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。
本發明提供一種電鍍法製備太陽電池柵線電極的方法，包括以下步驟：
步驟一：柵線電極光刻板設計：如圖1所示，太陽電池片由太陽電池1、太陽電池主柵2和太陽電池副柵3組成，根據太陽電池1柵線電極的形狀和對電鍍速率和進入電鍍液速率的優化進行設計，設計的太陽電池1的柵線圖形可以為較細等寬的圖形，也可以是較細不等寬的圖形；
步驟二：太陽電池預處理：在電鍍之前，對太陽電池1進行光刻處理、腐蝕處理和蒸鍍金屬附著層，得到太陽電池1表面的柵線金屬圖形；
步驟三：電鍍：包括依次電鍍銀和電鍍金，操作方法為：在電鍍之前，將太陽電池1底部主柵2向下，頂部副柵3向上，按照特定速率將太陽電池1浸入電鍍液6中，結束電鍍；或者，使電解液6沒過太陽電池1，保證太陽電池1底部主柵2向下，頂部副柵3向上，開始電鍍，按照特定速率將太陽電池1拉出電鍍液6，結束電鍍；如圖2所示，將待電鍍的太陽電池1作為電鍍的陰極，主柵2與電鍍電源4的負極連接，待鍍金屬作為電鍍的陽極5，與電鍍電源4的正極連接，電鍍液6含有待鍍金屬陽離子，通過調節太陽電池各部分在電鍍液6中的停留時間，可以達到太陽電池1不同位置柵線不等高高度和不等寬寬度的效果。
步驟四：加熱處理：太陽電池1經過電鍍後，需要進行加熱處理對電極進行加固，採用熱箱烘烤或者快速熱退火處理方式對太陽電池進行加固，得到太陽電池柵線電極。
其中，步驟二中對太陽電池1進行光刻處理、腐蝕處理和蒸鍍金屬附著層包括如下步驟：
步驟一：對太陽電池1旋塗光刻膠，然後應用柵線電極光刻板對太陽電池1進行曝光處理，經過顯影之後，太陽電池1的表面暴露出柵線圖形；
步驟二：對太陽電池1用PVD的方法蒸鍍一層金屬；
步驟三：使用有機溶劑去除光刻膠及光刻膠表面的殘留金屬，形成太陽電池1表面的柵線金屬圖形。
若太陽電池1背表面易受到電鍍液6的影響，該方法還包括在電鍍之前將太陽電池1背面旋塗光刻膠進行保護。
本發明的原理是：將待電鍍的太陽電池1作為電鍍的陰極，待鍍金屬作為電鍍的陽極，電鍍液含有待鍍金屬陽離子，通過調節太陽電池各部分在電鍍液中停留的時間，可以達到太陽電池不同位置柵線不等高高度和不等寬寬度的效果。通過調節太陽電池浸入電鍍液或者脫離電鍍液的速率以及電鍍速率，可以對電極的厚薄和寬窄程度進行調控。
電鍍時太陽電池的操作方式為：開始電鍍之後，將太陽電池底部主柵向下，頂部副柵向上，按照特定速率將太陽電池浸入電鍍液，直至電鍍液沒過太陽電池，此時電鍍結束。電鍍時太陽電池的另一種操作方式為：使電鍍液沒過太陽電池，保證太陽電池底部主柵向下，頂部副柵向上，然後開始電鍍，電鍍時按照特定速率將太陽電池提拉出電鍍液，直至太陽電池脫離電鍍液，此時電鍍結束。採用此兩種操作方式，就能實現太陽電池1不同位置柵線不等高高度和不等寬寬度。
本實施例以8cm*8cm尺寸的三結GaInP/GaAs/Ge太陽電池為例，具體闡述本發明的實際應用。
1.設計柵線版圖
根據實施例中電池需要，設計柵線版圖，設置主柵2長度為8cm，寬度為150μm，副柵3長度為8cm，間距為1mm，副柵3為均勻寬度，寬度設置為10μm。
2.光刻處理
對外延有GaInP/GaAs/Ge層的太陽電池外延片正表面旋塗一層厚度為8μm的光刻膠，之後將外延片放入烘箱中100℃烘烤5min進行加固；加固之後的外延片放在刻有柵線版圖的光刻板正下方，然後在紫外線照射下進行曝光處理，曝光時間為8-10s；曝光後的外延片放入顯影液中顯影60-90s，獲得露出柵線圖形的外延片表面，待顯影完全後用去離子水洗淨，最後用甩幹機甩幹或者氮氣吹乾。
3.腐蝕處理
將光刻處理後的太陽電池外延片放到稀鹽酸中清洗20s，將暴露出的外延片表面的GaAs氧化層去除，用去離子水洗淨，最後用甩幹機甩幹或者氮氣吹乾。
4.蒸鍍金屬附著層
將腐蝕處理後的太陽電池片放置在真空室，關上真空室進行抽氣並運行真空蒸鍍程序，蒸鍍金屬為Au和Ge，厚度均為50nm。蒸鍍完成之後，將鍍有金屬層的外延片放入丙酮浸泡20min，取出後採用自動去膠機去膠，光刻膠去除乾淨後，採用自動清洗機衝洗6-8次，再用甩幹機甩幹。
5.電鍍銀
電鍍銀的目的是製備不等厚電極。用夾具將電池片主柵與外接電極相連並固定在電鍍裝置上，並將電池片與電源負極相連，電源正極為銀金屬。在電鍍槽中添加電鍍液。電鍍液中的銀存在的形式為銀的氰化物或者銀的硫代硫酸鹽等，同時電鍍液中添加絡合劑、緩衝劑、導電鹽等。
電鍍銀時，首先將電池片全部浸入在電鍍液中，保持電池片的主柵方向向下，然後啟動電鍍電源，在電鍍過程中逐漸將電池片向上提拉，待所有細柵提拉出電鍍液液面而主柵仍位於電鍍液液面以下時，電池提拉停頓數秒，之後關閉電鍍電源，並將電池提拉出液面。電鍍銀時，最厚的厚度為8μm左右。在電鍍過程中，調整電源保持陰極的電流密度不變。
6.電鍍金
電鍍金的目的是保護內部銀電極不受腐蝕。用夾具將電池片主柵與外接電極相連並固定在電鍍裝置上，並將電池片與電源負極相連，電源正極為金屬金。在電鍍槽中添加電鍍液。電鍍液中的金存在的形式為金的氰化物或者金的亞硫酸鹽等，同時電鍍液中添加絡合劑、緩衝劑、導電鹽等。電鍍金的厚度為200nm，在電鍍金時，保持電池片在電鍍槽中位置不變，等電鍍結束之後取出。
電鍍結束之後，電池片的主柵厚度為8.5μm，寬度為200μm，與主柵連接處細柵的厚度為8μm，寬度為60μm，細柵末端厚度為2μm，寬度為12μm。
蒸鍍結束之後，用去離子水洗淨，最後用甩幹機甩幹或者氮氣吹乾。
7.電極加固
將電池片放置到真空烘箱中，保持溫度為340℃，恆溫30min之後取出，最終取得高度和寬度漸變的電池柵線圖形，如圖3和4所示。真空蒸鍍法製備的柵線截面圖如圖5所示，最外層的金屬金沒有完全包覆內層金屬銀，金屬銀會受到外界的影響，而在本實施例中，電池柵線的橫截面如圖6中的所示，最外層的金屬金完全包覆內層金屬銀，這種結構可以有效保護銀不受外界腐蝕影響。
本發明具有的優點和積極效果是：由於採用上述技術方案，可以實現太陽電池柵線的高度漸變，由於光生電流有太陽電池副柵末端流向太陽電池主柵，電流逐漸增加，此種柵線形狀更加適合上電極的電流傳輸；由於電鍍時金屬生長的位置固定在柵線處，柵線以外不會生長金屬，因此更加節省原料，且電鍍時不用抽真空，更加節省成本；可以在電池柵線所有暴露表面都電鍍有保護層，可以保證內部金屬免受外界腐蝕影響。
以上對本發明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明的實施範圍。凡依本發明申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本發明的專利涵蓋範圍之內。