CN106816483A - 一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***及方法，属于晶体硅太阳电池领域。该用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***包括喷墨打印喷头和加热片；在所述喷墨打印喷头上设置有喷孔；晶体硅片放置在所述加热片上；所述喷头与晶体硅片上的栅线平行设置，喷头上的每行喷孔均与晶体硅片上的栅线平行；喷印墨水从所述喷孔中滴出形成墨滴，在晶体硅片上依次打印各层栅线，形成栅线结构。本发明采用喷墨打印这种非接触式的半导体器件加工方式，有效地避免了因接触而造成晶体硅片的碎裂情况的方式，有效地降低了碎片率，明显降低了制造成本。

Description

一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***及方法

技术领域

本发明属于晶体硅太阳电池领域，具体涉及一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***及方法。

背景技术

晶体硅太阳电池包含形成结的P型和N型扩散区，交界区形成P-N结。当光线照射到晶体硅表面时，一部分光子被晶体硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子并在P-N结两侧聚集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。传统的晶体硅太阳电池金属镀膜工艺通常由丝网印刷技术来完成，即将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上形成电路或电极。典型的晶体硅太阳能电池从头到尾整个生产工艺流程中需要进行多次丝网印刷步骤。丝网印刷设备简单、操作方便，适应性强，在太阳电池制作中得到了广泛应用。

但丝网印刷工艺是一种典型的接触式制备方法，在制备过程中孔板需要与基材单晶硅片或多晶硅片进行紧密接触。由于制备晶体硅太阳电池的硅基厚度非常小、晶体硅本身的硬度大、脆性大等因素，极易造成晶体硅片破碎，难于控制制备成本。同时，网版上的栅格线宽一般在60-80um之间。而印刷后导电银浆会比丝网版上的宽度有所增加，印刷后的银浆在烧结后的宽度在80-100um之间。但由于印刷后的栅线宽度一般在15-20um，造成串联电阻较大，限制了晶体硅太阳电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***及方法，将喷墨打印技术引入到晶体硅太阳电池栅线制造过程中，替代传统丝网印刷制备工艺，解决太阳电池制备过程的碎片率高，栅线的高宽比低，光电转化效率不足等技术缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***，包括喷墨打印喷头和加热片；

在所述喷墨打印喷头上设置有喷孔；

晶体硅片放置在所述加热片上；

所述喷头与晶体硅片上的栅线平行设置，喷头上的每行喷孔均与晶体硅片上的栅线平行；

喷印墨水从所述喷孔中滴出形成墨滴，在晶体硅片上依次打印各层栅线，形成栅线结构。

所述喷墨打印喷头采用压电式打印喷头；所述墨滴为纳米导电材料；所述喷孔的尺寸小于晶体硅片上的栅线的宽度。

所述加热片设置在移动台上，移动台能够与喷墨打印喷头发生相对移动；所述加热片的加热温度范围为30～200摄氏度。

利用所述用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***实现的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，所述方法包括：

(1)、根据晶体硅片的大小设计喷墨打印喷头所需的点阵数据；

(2)、调整喷墨打印喷头的参数，在满足喷头的工作频率极可能高的条件下，使喷孔喷射出的墨滴圆润光滑，无拖尾形态和卫星液滴，并且墨滴的尺寸要尽可能的小；

(3)、对晶体硅片进行印前处理，增加晶体硅片的疏水性；

(4)、对晶体硅片进行预加热；

(5)、喷墨打印喷头工作，将喷印墨水沉积到晶体硅片上；

(6)、低温预固化，形成纳米颗粒组成的栅线：借助晶体硅片的热量使墨水中的醇类物质挥发，并使高分子粘合剂分解、燃烧掉，形成纳米颗粒组成的栅线；

(7)、高温固化，形成导电栅线。

(8)、检验喷墨打印的成品效果：检验喷墨打印的栅线的效果，剔除不合格产品。

所述步骤(1)是这样实现的：

根据晶体硅片的大小设计所需喷墨打印的栅线图形，调整所需喷墨打印的比例、位置以及灰度，生成喷墨打印喷头所需的点阵数据。

所述步骤(2)是这样实现的：

根据喷印墨水的密度、粘度和表面张力这三个参数，调整喷墨打印喷头的参数，所述喷墨打印喷头的参数包括驱动电压的脉冲幅度、脉冲时长、脉冲波形之间的间隔。

所述步骤(3)是这样实现的：

对晶体硅片进行疏水处理，疏水处理后，墨滴与晶体硅片的表层二氧化硅的接触角小于80度。

所述步骤(4)是这样实现的：

将晶体硅片放置于加热片上进行预加热，加热温度为75～85摄氏度。

所述步骤(5)是这样实现的：

晶体硅片匀速通过喷墨打印喷头的下方，喷墨打印喷头工作，将喷印墨水按步骤(1)获得的点阵数据要求沉积到晶体硅片上；

为保证栅线具有更大的高宽比，晶体硅片上的同一位置需要打印多次形成叠层结构，才能符合栅线结构的要求；

晶体硅片上的同一位置需要重复喷墨打印的次数的计算公式如下：

所述步骤(7)是这样实现的：

将晶体硅片放到真空烘箱进行加热，加热温度为250-300摄氏度，使纳米颗粒融化，形成导电栅线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用喷墨打印这种非接触式的半导体器件加工方式，有效地避免了因接触而造成晶体硅片的碎裂情况的方式，有效地降低了碎片率，明显降低了制造成本。此外，喷墨打印技术也是一种典型的增材制造技术，通过高精度的喷墨打印不仅可以降低栅线的宽度，提高栅线密度，还可以通过逐层加工、层层叠加的加工方式提升栅线的高度，提升高宽比，降低串联电阻，提升太阳电池的光电转化效率。不仅如此，喷墨打印工艺简单，易实现，能耗低，污染少，利于光伏企业降低运营成本。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图。

图2为本发明制备太阳电池栅线的示意图。

图中：1为喷墨打印喷头，2为喷孔，3为墨滴(纳米导电材料)，4为打印制备的栅线顶层，5为打印制备的栅线第二层，6为打印制备的栅线第三层，7为打印制备栅线结构，8为晶体硅片，9为加热片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明的***如图2所示，包括喷墨打印喷头1(可以采用压电式打印喷头，其分为“连续型”的打印喷头和“按需打印型”喷头两类，市场上常用的是“按需打印”喷头；目前市场上常用的有Konica公司的KM系列喷头，Xaar公司生产的XJ系类喷头等等，Spectra公司的SE系类喷头，以及其它品牌的很多种喷头。)和加热片9(加热片可以直接购买成品，也可以采用电阻丝加一个温度传感器制作而成；材质主要采用铝，因为铝的比热大，保温性好，材质要厚一点，传热均匀，加热温度范围在30～200摄氏度即可)，在所述喷墨打印喷头上设置有喷孔2(每一行喷孔2均与栅线平行，这样才可以保持效率和准度，一个喷头上可能有一行喷孔，也可能有多行喷孔，为了精确，一般选择2行以上包含2行的，选一行的也完全可以)，墨滴3(纳米导电材料)从喷孔中滴出，在晶体硅片8上依次打印制备的栅线顶层4，打印制备的栅线第二层5，打印制备的栅线第三层6，打印制备栅线结构7。

喷墨打印喷头的喷孔的尺寸小于栅线宽度(相邻两个喷孔之间的距离根据喷头的种类而不同，一般范围在25～75um)；

喷头的摆放与栅线保持平行。

晶体硅片8直接放置在加热片上9即可。

对喷墨打印喷头1和加热片9之间的距离没有特定要求，一般技术上会控制在2mm以内。

加热片的内部是电阻丝，外部是铝，由内向外传热。

如图1所示，本发明方法包含以下步骤：

(1)、生成喷墨打印喷头所需的点阵数据；

(2)、调整喷墨打印喷头的参数；

(3)、晶体硅片进行印前处理；

(4)、晶体硅片预加热；

(5)、喷墨打印喷头工作，将墨水沉积到晶体硅片上；

(6)、低温预固化，形成纳米颗粒组成的栅线；

(7)、高温固化，形成导电栅线。

(8)、检验喷墨打印的太阳电池的成品效果。

为保证喷墨打印制备出的晶体硅太阳电池栅线具有更大的高宽比，同一位置可能需要打印多次形成叠层结构。晶体硅片的同一位置的喷墨打印次数与纳米材料墨水的含量(也称浓度)成反比关系。含量越高，喷墨打印的次数越少，反之亦然。同一点需要重复喷墨打印的次数计算公式如下：

本发明具体实施方案包括以下步骤：

(1)、根据所需加工的太阳电池晶体硅片的大小设计所需喷墨打印的栅线图形(栅线的形式是固定的，不同的是栅线的宽度、间隔、数量上略有不同，这个可以根据设备的精度来做调整。)，调整所需喷墨打印的比例、位置以及灰度(硅片的型号很多，目前有80mm*80mm、125mm*125mm、156mm*156mm的以及其它尺寸的很多种，这就需要调整打印图形的比例，位置，当然也需要调整灰度，灰度直接决定栅线的高度，灰度越高栅线高度越大，比例放大了，但栅线的高宽比不变，因为宽度一直保持一个像素宽，所以需要加强灰度，保持高宽比不变。)。经过图像处理算法(采用的是打印数据排布算法，可参考文献：***“大幅面彩色喷墨绘图机控制器研究”西安电子科技大学，2007)，生成喷墨打印喷头1所需的点阵数据。

(2)、根据所测定喷印墨水的密度、粘度和表面张力这三个参数，通过调整喷墨打印喷头1的参数(主要是喷头的驱动电压的脉冲幅度、脉冲时长、脉冲波形之间的间隔等参数信息)，在满足喷头的工作频率极可能的高的条件下，使喷孔2喷射出的墨滴3圆润光滑，无明显拖尾形态和卫星液滴，并且墨滴3的尺寸要尽可能的小。

(3)、增加晶体硅片疏水性(通过等离子机进行疏水处理，在晶体硅片的表面沉积一层疏水膜，如含氟类物质或单纯烷基链的疏水剂都可以)，疏水处理后，墨水在晶体硅片8表层二氧化硅的接触角小于80度。

(4)、将晶体硅片8放置于加热片9上进行预加热，加热温度80摄氏度左右(75～85摄氏度即可)。预加热温度不易太高，否则在后续步骤中滴在晶体硅片9上墨滴3的醇类会快速沸腾，影响固化效果。

(5)、晶体硅片8匀速通过喷墨打印喷头下方，喷墨打印喷头1工作，将纳米材质墨水按点阵数据要求沉积到晶体硅片8上，同时，为保证喷墨打印制备出的晶体硅太阳电池栅线具有更大的高宽比，同一位置可能需要打印多次，才能符合打印制备栅线结构7(打印制备栅线结构7是对所有栅线结构的总称，图2是一个示意图，4、5、6最终都成为7的一部分的)的要求。打印制备栅线结构从下到上依次打印制备的栅线第三层6、制备的栅线第二层5、制备的栅线顶层4。

喷头和加热片是相对移动的，可以将加热片放置在一个移动台上的，根据实际情况，移动台可以设计既有横向左右移动又有纵向前后移动功能的，或者设计成只有横向左右移动功能的移动台。如果是采用多个喷头同时工作的情况，打印完多行后，就不需要纵向移动加热片，只需回到原位后打印下一行即可，这样只有横向左右移动功能的移动台即可满足要求，如果喷头不足，打印完一行后，就需要纵向挪动加热片，这就需要既能够横向左右移动又能够纵向前后移动的移动台。

(6)、借助晶体硅片的热量使墨水中醇类物质迅速挥发，并使高分子粘合剂分解、燃烧掉，形成纳米颗粒组成的栅线。

(7)、高温固化。将晶体硅片放到真空烘箱进行加热，加热温度为250-300摄氏度，使纳米颗粒融化，形成导电栅线。加热温度不宜太高，否则会影响晶体硅表面结构。

(8)、检验喷墨打印的晶体硅太阳电池栅线效果，剔除不合格产品。

进一步，下面通过具体数值对本实施例做进一步说明：

硅片选用125mm*125mm的晶体硅片，喷头选用14pL特性喷头，喷头含有128个喷孔，墨水的含银量为23％，目标栅线高度为25um，栅线宽度45um。为实现此实施例，需对喷头的驱动电压的脉冲幅度、脉冲时长、脉冲波形之间的间隔这些参数进行调节，将墨滴尺寸控制在10pL附近。同一点需要重复喷墨打印的次数计算公式如下：

通过上式计算得到，同一点喷墨打印次数为61次，约为总喷孔数的一半，因此让喷孔间隔工作即可实现此实施例。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***，其特征在于：所述用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***包括喷墨打印喷头和加热片；

在所述喷墨打印喷头上设置有喷孔；

晶体硅片放置在所述加热片上；

所述喷头与晶体硅片上的栅线平行设置，喷头上的每行喷孔均与晶体硅片上的栅线平行；

喷印墨水从所述喷孔中滴出形成墨滴，在晶体硅片上依次打印各层栅线，形成栅线结构。

2.根据权利要求1所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***，其特征在于：所述喷墨打印喷头采用压电式打印喷头；所述墨滴为纳米导电材料；所述喷孔的尺寸小于晶体硅片上的栅线的宽度。

3.根据权利要求2所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***，其特征在于：所述加热片设置在移动台上，移动台能够与喷墨打印喷头发生相对移动；所述加热片的加热温度范围为30～200摄氏度。

4.一种利用权利要求1至3任一所述用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备***实现的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)、根据晶体硅片的大小设计喷墨打印喷头所需的点阵数据；

(2)、调整喷墨打印喷头的参数；

(3)、对晶体硅片进行印前处理，增加晶体硅片的疏水性；

(4)、对晶体硅片进行预加热；

(5)、喷墨打印喷头工作，将喷印墨水沉积到晶体硅片上；

(6)、低温预固化，形成纳米颗粒组成的栅线：借助晶体硅片的热量使墨水中的醇类物质挥发，并使高分子粘合剂分解、燃烧掉，形成纳米颗粒组成的栅线；

(7)、高温固化，形成导电栅线。

(8)、检验喷墨打印的成品效果：检验喷墨打印的栅线的效果，剔除不合格产品。

5.根据权利要求4所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(1)是这样实现的：

根据晶体硅片的大小设计所需喷墨打印的栅线图形，调整所需喷墨打印的比例、位置以及灰度，生成喷墨打印喷头所需的点阵数据。

6.根据权利要求5所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(2)是这样实现的：

根据喷印墨水的密度、粘度和表面张力这三个参数，调整喷墨打印喷头的参数，所述喷墨打印喷头的参数包括驱动电压的脉冲幅度、脉冲时长、脉冲波形之间的间隔。

7.根据权利要求6所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

对晶体硅片进行疏水处理，疏水处理后，墨滴与晶体硅片的表层二氧化硅的接触角小于80度。

8.根据权利要求7所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：

将晶体硅片放置于加热片上进行预加热，加热温度为75～85摄氏度。

9.根据权利要求8所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(5)是这样实现的：

晶体硅片匀速通过喷墨打印喷头的下方，喷墨打印喷头工作，将喷印墨水按步骤(1)获得的点阵数据要求沉积到晶体硅片上；

为保证栅线具有更大的高宽比，晶体硅片上的同一位置需要打印多次形成叠层结构，才能符合栅线结构的要求；

晶体硅片上的同一位置需要重复喷墨打印的次数的计算公式如下：

10.根据权利要求9所述的用于晶体硅太阳电池栅线的非接触式制备方法，其特征在于：所述步骤(7)是这样实现的：

将晶体硅片放到真空烘箱进行加热，加热温度为250-300摄氏度，使纳米颗粒融化，形成导电栅线。