RU2762374C1 - Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction - Google Patents
Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762374C1 RU2762374C1 RU2021112541A RU2021112541A RU2762374C1 RU 2762374 C1 RU2762374 C1 RU 2762374C1 RU 2021112541 A RU2021112541 A RU 2021112541A RU 2021112541 A RU2021112541 A RU 2021112541A RU 2762374 C1 RU2762374 C1 RU 2762374C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- paste
- heterojunction
- metallization
- solar cells
- metallization paste
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims abstract description 83
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 32
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 claims abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 33
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 31
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 22
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 12
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 9
- 239000002998 adhesive polymer Substances 0.000 claims description 8
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 7
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 6
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 239000004709 Chlorinated polyethylene Substances 0.000 claims description 3
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 3
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 33
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 23
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000004332 silver Substances 0.000 abstract description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 5
- -1 silver halide Chemical class 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 33
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 26
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 24
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 18
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 14
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 13
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 6
- 229940028356 diethylene glycol monobutyl ether Drugs 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- JCGNDDUYTRNOFT-UHFFFAOYSA-N oxolane-2,4-dione Chemical compound O=C1COC(=O)C1 JCGNDDUYTRNOFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 4
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 3
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 3
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 3
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 238000001029 thermal curing Methods 0.000 description 3
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 3
- QCDWFXQBSFUVSP-UHFFFAOYSA-N 2-phenoxyethanol Chemical compound OCCOC1=CC=CC=C1 QCDWFXQBSFUVSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N Butyl acetate Natural products CCCCOC(C)=O DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- FUZZWVXGSFPDMH-UHFFFAOYSA-N hexanoic acid Chemical compound CCCCCC(O)=O FUZZWVXGSFPDMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 2
- IBLKWZIFZMJLFL-UHFFFAOYSA-N 1-phenoxypropan-2-ol Chemical compound CC(O)COC1=CC=CC=C1 IBLKWZIFZMJLFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VXQBJTKSVGFQOL-UHFFFAOYSA-N 2-(2-butoxyethoxy)ethyl acetate Chemical compound CCCCOCCOCCOC(C)=O VXQBJTKSVGFQOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KESQFSZFUCZCEI-UHFFFAOYSA-N 2-(5-nitropyridin-2-yl)oxyethanol Chemical compound OCCOC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=N1 KESQFSZFUCZCEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- COBPKKZHLDDMTB-UHFFFAOYSA-N 2-[2-(2-butoxyethoxy)ethoxy]ethanol Chemical compound CCCCOCCOCCOCCO COBPKKZHLDDMTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JDSQBDGCMUXRBM-UHFFFAOYSA-N 2-[2-(2-butoxypropoxy)propoxy]propan-1-ol Chemical compound CCCCOC(C)COC(C)COC(C)CO JDSQBDGCMUXRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WAEVWDZKMBQDEJ-UHFFFAOYSA-N 2-[2-(2-methoxypropoxy)propoxy]propan-1-ol Chemical compound COC(C)COC(C)COC(C)CO WAEVWDZKMBQDEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CRWNQZTZTZWPOF-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-4-phenylpyridine Chemical compound C1=NC(C)=CC(C=2C=CC=CC=2)=C1 CRWNQZTZTZWPOF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ULKLGIFJWFIQFF-UHFFFAOYSA-N 5K8XI641G3 Chemical compound CCC1=NC=C(C)N1 ULKLGIFJWFIQFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000935974 Paralichthys dentatus Species 0.000 description 1
- 240000005428 Pistacia lentiscus Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000004842 bisphenol F epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 238000010981 drying operation Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 229920006287 phenoxy resin Polymers 0.000 description 1
- 239000013034 phenoxy resin Substances 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000004382 potting Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 1
- 150000003573 thiols Chemical class 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
- H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
- H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0745—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells
- H01L31/0747—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells comprising a heterojunction of crystalline and amorphous materials, e.g. heterojunction with intrinsic thin layer or HIT® solar cells; solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Настоящее изобретение относится к толстопленочной микроэлектронике, а именно к технологиям, используемым при производстве солнечных элементов на основе гетероперехода.The present invention relates to thick-film microelectronics, and in particular to technologies used in the production of solar cells based on a heterojunction.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Производство высокоэффективных солнечных элементов (СЭ) на основе гетероперехода включает стадию металлизации, в ходе которой на фронтальную и тыльную поверхность полупроводниковой пластины наносится токосъемный контакт.The production of high-efficiency solar cells (SCs) based on a heterojunction includes a metallization stage, during which a current-collecting contact is applied to the front and rear surfaces of the semiconductor wafer.
В настоящее время трафаретная печать является наиболее распространенной технологией металлизации, как наиболее полно отвечающая критериям массового промышленного производства. В процессе трафаретной печати геометрические размеры проводника определяются шириной открытия в эмульсионном слое трафарета. Материалом, применяющимся для изготовления токосъемного контакта методом трафаретной печати, является металлизационная паста, которая продавливается сквозь открытие трафарета за счет приложенного со стороны эластичного ракеля давления, формируя таким образом проводник. При этом движение ракеля, направленное параллельно поверхности пластины, принято характеризовать скоростью печати; типичная величина скорости печати паст для изготовления солнечных элементов на основе гетероперехода лежит в диапазоне 150-200 мм/с.Currently, screen printing is the most common metallization technology, as it most fully meets the criteria for mass industrial production. In the screen printing process, the geometric dimensions of the conductor are determined by the width of the opening in the emulsion layer of the screen. The material used for the manufacture of the current collector contact by the screen printing method is a metallization paste, which is pressed through the opening of the stencil due to the pressure applied from the elastic doctor blade, thus forming a conductor. In this case, the movement of the squeegee directed parallel to the surface of the plate is usually characterized by the printing speed; Typical print speeds for heterojunction-based solar cells are in the range of 150-200 mm / s.
В состав металлизационной пасты входят микро- и наноразмерные электропроводящие частицы и жидкое связующее на основе полимеров или смол. Придание пасте требуемых реологических свойств для ее качественного нанесения обеспечивается путем растворения (или разбавления) полимера с заданными свойствами в органическом растворителе. В ходе следующей за трафаретной печатью операции термической сушки происходит сцепление электропроводящих частиц между собой и с подложкой за счет испарения растворителя и одновременного процесса образования пространственной матрицы из полимерных молекулярных цепочек и звеньев. Требуемая результирующая сила адгезии токопроводящего контакта к поверхности пластины должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить механическую прочность и стойкость контакта к воздействию вакуумных фиксаторов и механизма транспортера при последующем нанесении металлизационной пасты на противоположную поверхность. Заключительным этапом изготовления токопроводящего контакта является операция термического отверждения, в ходе которой происходит спекание электропроводящих частиц и достигается оптимальная величина удельного электрического сопротивления проводника менее 6⋅10-6 Ом⋅см.The composition of the metallization paste includes micro- and nano-sized electrically conductive particles and a liquid binder based on polymers or resins. Giving the paste the required rheological properties for its high-quality application is ensured by dissolving (or diluting) a polymer with specified properties in an organic solvent. During the thermal drying operation following screen printing, the electrically conductive particles adhere to each other and to the substrate due to the evaporation of the solvent and the simultaneous formation of a spatial matrix from polymer molecular chains and units. The required resulting adhesion force of the conductive contact to the plate surface must be sufficient to ensure the mechanical strength and resistance of the contact to the effects of vacuum clamps and the conveyor mechanism during the subsequent application of metallization paste to the opposite surface. The final stage in the manufacture of a conductive contact is the operation of thermal curing, during which conductive particles are sintered and the optimum value of the specific electrical resistance of the conductor is less than 6⋅10 -6 Ohm⋅cm.
На текущем этапе развития технологии операции нанесения пасты и ее отверждения, в значительной мере ограничивают производительность изготовления СЭ. По предварительной оценке, исключение стадии отверждения при одновременном увеличении скорости печати с 200 до 300 мм/с приведет к росту производительности линии металлизации на 50%.At the current stage of development of technology, the operations of applying the paste and its curing, to a significant extent, limit the production capacity of the SC. According to preliminary estimates, the elimination of the curing stage while simultaneously increasing the print speed from 200 to 300 mm / s will increase the productivity of the metallization line by 50%.
Увеличению скорости печати препятствуют сильно выраженные взаимодействия между стенками трафаретного открытия и непосредственно прилегающим к стенке слоем пасты. Такое взаимодействие приводит к неравномерному распределению скоростей в объеме пасты при ее нанесении, в результате чего на краях формируемого проводника образуются дефекты, приводящие к значительной вариации локальных значений площади сечения проводника, а, следовательно, и величины результирующих электрофизических параметров СЭ.Strong interactions between the walls of the stencil opening and the paste layer directly adjacent to the wall prevent an increase in print speed. This interaction leads to an uneven distribution of velocities in the volume of the paste during its application, as a result of which defects are formed at the edges of the conductor being formed, leading to a significant variation in the local values of the conductor cross-sectional area, and, consequently, in the value of the resulting electrophysical parameters of the SC.
Для большинства представленных на сегодняшний день на рынке паст для металлизации солнечных элементов с гетеропереходом фактором, затрудняющим снижение времени отверждения, является применение в их составе в качестве полимера термореактивных смол (например, эпоксидных), поскольку в этом случае длительность отверждения ограничена продолжительностью процесса полимеризации смолы и не может быть существенно снижена. Так, у металлизационных паст, применяемых в массовом производстве СЭ, общее время отверждения составляет от 30 до 45 минут. Наличие в составе пасты термореактивной смолы требует также и введения соответствующего отвердителя, инициирующего реакцию полимеризации смолы при термообработке пластины с нанесенной пастой. Такие материалы предъявляют особые требования к условиям упаковки, хранения и транспортировки из-за возможности потери функциональности вследствие частичного или полного отверждения полимера на одном из этих этапов. Для предотвращения нежелательной полимеризации хранение и транспортировка данных продуктов производится при температуре от -40 до +5°C, что приводит к увеличению себестоимости производства солнечных элементов с гетеропереходом за счет использования контейнеров-рефрижераторов. Примерами патентных заявок на такие пасты являются следующие US20190013422 (опубл. 10.01.2019), EP3723139 (опубл. 14.10.2020), CN109754903 (опубл. 14.05.2019), CN109686472 (опубл. 26.04.2019).For most of the pastes on the market for metallization of solar cells with a heterojunction, a factor that hinders the reduction of the curing time is the use of thermosetting resins (for example, epoxy) in their composition as a polymer, since in this case the curing time is limited by the duration of the resin polymerization process and cannot be significantly reduced. So, for metallization pastes used in mass production of SCs, the total curing time is from 30 to 45 minutes. The presence of a thermosetting resin in the paste also requires the introduction of an appropriate hardener, which initiates the resin polymerization reaction during heat treatment of the plate with the applied paste. Such materials impose special requirements on the conditions of packaging, storage and transportation due to the possibility of loss of functionality due to partial or complete curing of the polymer at one of these stages. To prevent unwanted polymerization, storage and transportation of these products is carried out at temperatures from -40 to + 5 ° C, which leads to an increase in the production cost of solar cells with a heterojunction due to the use of refrigerated containers. Examples of patent applications for such pastes are the following US20190013422 (published on 01/10/2019), EP3723139 (published on 10/14/2020), CN109754903 (published on May 14, 2019), CN109686472 (published on 04/26/2019).
Предметом описываемого изобретения является разработка и внедрение в процесс массового производства солнечных элементов с гетеропереходом технологических приемов при использовании специальной металлизационной пасты, допускающих существенное увеличение скорости нанесения, а также снижение продолжительности стадии отверждения или ее полное исключение.The subject of the described invention is the development and implementation in the process of mass production of solar cells with a heterojunction of technological methods using a special metallization paste, allowing a significant increase in the application rate, as well as a decrease in the duration of the curing stage or its complete elimination.
На момент подачи заявки на данное изобретение в открытом доступе не было обнаружено патентов или заявок на патенты, описывающих способ увеличения скорости нанесения металлизационной пасты для солнечных элементов с гетеропереходом. В ранее опубликованных патентных заявках на технологию и пасты для изготовления солнечных элементов с гетеропереходом отмечается возможность ускорения процесса отверждения за счет применения как особых технологических приемов, так и специальных металлизационных паст.At the time of filing the application for this invention, no patents or patent applications were found in the public domain describing a method for increasing the rate of deposition of metallization paste for solar cells with a heterojunction. Previously published patent applications for technology and pastes for the manufacture of solar cells with a heterojunction indicate the possibility of accelerating the curing process through the use of both special technological methods and special metallization pastes.
Так, в заявке US20120180864 (опубл. 19.07.2012) описана металлизационная паста для изготовления солнечных элементов с гетеропереходом, преимуществом которой является улучшение производительности за счет отверждения на стадии сушки при температуре 100-250°C от 10 до 30 минут без необходимости применения отдельной стадии термического отверждения. Тем не менее, указанный временной интервал стадии сушки от 10 до 30 минут следует признать недостаточным для существенного повышения производительности даже с учетом исключения стадии термического отверждения. Далее, описанный механизм проводимости пасты за счет применения в ее составе проводящих полимеров не позволяет достигать величины электрического сопротивления менее 6⋅10-6 Ом⋅см, достаточно низкого для изготовления высокоэффективных солнечных элементов с гетеропереходом.So, in the application US20120180864 (publ. 07/19/2012) describes a metallization paste for the manufacture of solar cells with a heterojunction, the advantage of which is an improvement in productivity due to curing at the stage of drying at a temperature of 100-250 ° C from 10 to 30 minutes without the need for a separate stage thermal curing. Nevertheless, the specified time interval of the drying stage from 10 to 30 minutes should be considered insufficient for a significant increase in productivity, even taking into account the exclusion of the thermal curing stage. Further, the described mechanism of the conductivity of the paste due to the use of conducting polymers in its composition does not allow reaching an electrical resistance of less than 6⋅10 -6 Ohm⋅cm, which is low enough for the manufacture of highly efficient solar cells with a heterojunction.
В состав металлизационной пасты по заявке KR1020170120380 (опубл. 31.10.20187), входит эпоксидная смола и тиол в качестве отвердителя, добавление которого позволяет снизить продолжительность отверждения до 1 минуты при температуре от 100 до 150°C. Вместе с тем приведенные значения удельного сопротивления проводников, изготовленных при помощи данной пасты, лежат в диапазоне 10-4 - 10-3 Ом⋅см, что недостаточно для изготовления высокоэффективных солнечных элементов с гетеропереходом.The composition of the metallization paste according to the application KR1020170120380 (publ. 10/31/20187) includes epoxy resin and thiol as a hardener, the addition of which reduces the curing time to 1 minute at temperatures from 100 to 150 ° C. At the same time, the given values of the specific resistance of the conductors made with this paste are in the range of 10 -4 - 10 -3 Ohm⋅cm, which is insufficient for the manufacture of highly efficient solar cells with a heterojunction.
Металлизационная паста из заявки US20190002723 (опубл. 03.01.2019) позволяет существенно упростить производственный цикл изделий с возможностью полного исключения стадии температурной обработки. Это достигается за счет применения растворителей с высокой скоростью испарения, высыхающих в течение нескольких минут после нанесения пасты. Очевидно, что процесс высыхания растворителя, начинающийся немедленно после вскрытия тары с пастой, приведет к значительному изменению ее реологических свойств, поэтому металлизационные пасты с таким составом не применимы для нанесения методом трафаретной печати. Более того, величина удельного сопротивления проводников, изготовленных при помощи описываемых металлизационной пасты и метода, лежит в диапазоне 10-2 - 10-1 Ом⋅см и достигается за время от 30 минут до 4 часов, что недостаточно для изготовления высокоэффективных солнечных элементов с гетеропереходом, а также не позволяет ускорить производственный цикл солнечных элементов.The metallization paste from the application US20190002723 (published 03.01.2019) allows to significantly simplify the production cycle of products with the possibility of completely eliminating the stage of temperature treatment. This is achieved through the use of solvents with a high evaporation rate, which dry within a few minutes after application of the paste. It is obvious that the solvent drying process, which begins immediately after opening the container with the paste, will lead to a significant change in its rheological properties; therefore, metallization pastes with such a composition are not applicable for screen printing. Moreover, the value of the resistivity of the conductors manufactured using the described metallization paste and method lies in the range of 10 -2 - 10 -1 Ohm⋅cm and is achieved in a time from 30 minutes to 4 hours, which is not enough for the manufacture of highly efficient solar cells with a heterojunction and also does not allow to speed up the production cycle of solar cells.
Наиболее близким по свойствам и качествам к настоящему изобретению следует признать изобретение, описанное в заявке WO2004067647 (опубл. 12.08.2004). В данном случае для снижения температуры отверждения металлизационной пасты применяются галогенсодержащие полимеры или растворители. Данные соединения могут как входить в состав металлизационной пасты в качестве компонентов связующего, так и наноситься на подложку предварительно перед печатью металлизационной пасты. Основным преимуществом изобретения из данной заявки является возможность нанесения металлизации на подложки из материалов, чувствительных к высоким температурам, такие как бумага и различные гибкие полимерные материалы; при этом специфические особенности применения данной пасты для изготовления солнечных элементов с гетеропереходом не описаны. Возможность снижения продолжительности процесса отверждения до 10 секунд с достижением низкого электрического сопротивления упоминается без раскрытия механизмов этих процессов. Наконец, дополнительная операция предварительного нанесения на подложку галогенсодержащих полимеров и растворителей не отвечает требованию увеличения производительности и снижения себестоимости изготовления СЭ.The closest in properties and qualities to the present invention should be recognized as the invention described in the application WO2004067647 (publ. 12.08.2004). In this case, halogen-containing polymers or solvents are used to lower the curing temperature of the metallization paste. These compounds can either be included in the composition of the metallization paste as binder components, or applied to the substrate beforehand before printing the metallization paste. The main advantage of the invention of this application is the ability to apply metallization to substrates of materials sensitive to high temperatures, such as paper and various flexible polymeric materials; however, the specific features of the application of this paste for the manufacture of solar cells with a heterojunction are not described. The possibility of reducing the duration of the curing process to 10 seconds with the achievement of low electrical resistance is mentioned without disclosing the mechanisms of these processes. Finally, the additional operation of preliminary deposition of halogen-containing polymers and solvents on the substrate does not meet the requirement to increase productivity and reduce the cost of manufacturing solar cells.
Анализ опубликованных источников подтверждает, что на текущий момент для повышения производительности и снижения себестоимости изготовления солнечных элементов с гетеропереходом существует необходимость в металлизационной пасте, обладающей такими свойствами как способность к нанесению на высокой скорости печати без дефектов, высокая адгезия сформированного проводника к подложке после однократной кратковременной термообработки, минимальное удельное электрическое сопротивление (менее 6⋅10-6 Ом⋅см), отверждение за время не более 1.5 минут, сохранение функциональности при комнатной температуре.Analysis of published sources confirms that at the moment, in order to increase productivity and reduce the cost of manufacturing solar cells with a heterojunction, there is a need for a metallization paste with properties such as the ability to be applied at a high printing speed without defects, high adhesion of the formed conductor to the substrate after a single short-term heat treatment. , minimum specific electrical resistance (less than 6⋅10 -6 Ohm⋅cm), curing for no more than 1.5 minutes, maintaining functionality at room temperature.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом изобретения является повышение значений электропараметров солнечных элементов при существенном повышении производительности их изготовления.The technical result of the invention is to increase the values of the electrical parameters of solar cells with a significant increase in the productivity of their manufacture.
Указанный технический результат достигается тем, что способ формирования токосъемного контакта на поверхности солнечных элементов с гетеропереходом включает трафаретную печать металлизационной пасты, дополнительно содержащей галогенсодержащий компонент, на полупроводниковую пластину и далее термическую обработку пластины продолжительностью от 30 секунд до 3 минут при температуре от 210 до 240°C.The specified technical result is achieved in that the method of forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction includes screen printing a metallization paste, additionally containing a halogen-containing component, onto a semiconductor wafer and then heat treatment of the wafer for a duration of 30 seconds to 3 minutes at a temperature of 210 to 240 ° C.
В качестве галогенсодержащего компонента в составе пасты может быть использован поливинилхлорид, хлорированный полиэтилен, хлоропреновый каучук, а также их комбинации.Polyvinyl chloride, chlorinated polyethylene, chloroprene rubber, as well as their combinations can be used as a halogen-containing component in the composition of the paste.
Термическая обработка может быть проведена с использованием конвекционного нагрева, с помощью инфракрасного или ультрафиолетового излучения, а также их комбинаций.Heat treatment can be carried out using convection heating, infrared or ultraviolet radiation, and combinations thereof.
В качестве полупроводниковой пластины может быть использована полупроводниковая пластина с гетеропереходом гидрогенизированного аморфного и кристаллического кремния или полупроводниковая пластина с тандемным гетеропереходом.As a semiconductor wafer, a semiconductor wafer with a heterojunction of hydrogenated amorphous and crystalline silicon or a semiconductor wafer with a tandem heterojunction can be used.
Ускорение производства солнечных элементов достигается за счет ускорения нанесения металлизационной пасты на поверхность пластины пасты методом трафаретной печати при введении в состав пасты компонента на основе органополисилоксанового соединения, а также за счет однократной кратковременной температурной обработки нанесенной пасты. Входящие в состав пасты компоненты способствуют повышению скорости ее нанесения и достижению величины удельного электрического сопротивления изготавливаемого проводника менее 6⋅10-6 Ом⋅см при продолжительности температурной обработки от 30 секунд до 3 минут и температуре от 210 до 240°C.Acceleration of the production of solar cells is achieved by accelerating the application of metallization paste to the surface of the paste plate by screen printing with the introduction of a component based on an organopolysiloxane compound into the paste, as well as by a single short-term temperature treatment of the applied paste. The components included in the composition of the paste contribute to an increase in the speed of its application and the achievement of the specific electrical resistance of the conductor being produced less than 6⋅10 -6 Ohm⋅cm with a duration of heat treatment from 30 seconds to 3 minutes and a temperature from 210 to 240 ° C.
Краткое описание чертежей и иных материаловBrief description of drawings and other materials
На фиг. 1 представлены результаты измерения величины напряжения холостого хода Voc для HJT пластин при возбуждении неравновесных носителей заряда за счет освещения пластины источником электромагнитного излучения.FIG. 1 shows the results of measuring the open circuit voltage V oc for HJT plates upon excitation of nonequilibrium charge carriers by illuminating the plate with a source of electromagnetic radiation.
На фиг. 2 представлена зависимость вязкости образцов металлизационной пасты №1 и №2 от продолжительности печати.FIG. 2 shows the dependence of the viscosity of samples of metallization paste No. 1 and No. 2 on the duration of printing.
На фиг. 3 представлена зависимость линейного электрического сопротивления проводника R от скорости печати металлизационной пасты при использовании трафаретных открытий шириной от 20 до 50 мкм.FIG. 3 shows the dependence of the linear electrical resistance of the conductor R on the printing speed of the metallization paste when using stencil openings with a width of 20 to 50 microns.
На фиг. 4 представлена зависимость удельного электрического сопротивления проводника ρ от продолжительности термообработки образцов металлизационной пасты № 3-6 при температуре 225°C.FIG. 4 shows the dependence of the electrical resistivity of the conductor ρ on the duration of heat treatment of samples of metallization paste No. 3-6 at a temperature of 225 ° C.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Метод трафаретной печати предполагает единовременное использование некоторого количества металлизационной пасты (300-700 г), постоянно находящегося в рабочей зоне трафаретного принтера в течение порядка 3 часов. Таким образом растворитель, входящий в состав пасты, испаряется, будучи в контакте с внешней средой. Скорость испарения растворителя при комнатной температуре υ принято нормировать на скорость испарения бутилацетата. Если скорость испарения бутилацетата принять равной единице, тогда при использовании в составе металлизационной пасты растворителя с υ= 0.01÷0.035 спустя 1 час работы количество испарившегося растворителя составит 15-18% по массе от изначально находившегося в пасте, что соответствует увеличению ее динамической вязкости на 30-35%. Качественная бездефектная печать токосъемного контакта через трафареты с шириной открытия трафарета менее 50 мкм при скорости печати более 200 мм/c с применением такой металлизационной пасты невозможна. Величина υ входящих в состав пасты растворителей, достаточная для исключения их раннего испарения в процессе печати, должна быть не более 0.0025; тогда увеличение динамической вязкости через 1 час работы не превышает приемлемые 10%. В качестве растворителей, характеризующихся величиной относительной скорости испарения υ < 0.0025, в составе металлизационной пасты могут быть использованы следующие вещества: монометиловый эфир трипропиленгликоля, фениловый эфир пропиленгликоля, фениловый эфир этиленгликоля, ацетат н-бутилового эфира диэтиленгликоля, моногексиловый эфир диэтиленгликоля, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират, дибутиловый эфир диэтиленгликоля, н-бутиловый эфир трипропиленгликоля, монобутиловый эфир триэтиленгликоля, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол диизобутират, этилгексилглицерин, ацетил трибутил цитрат и другие материалы, характеризующиеся требуемой скоростью испарения. В состав металлизационной пасты может входить как один растворитель, так и смесь из нескольких растворителей в пропорции, достаточной для выполнения функций жидкого связующего. Концентрация растворителя в составе металлизационной пасты может составлять от 7.5 до 11.3%. Здесь и далее концентрации компонентов в составе металлизационной пасты выражены в массовых процентах. The screen printing method involves the simultaneous use of a certain amount of metallization paste (300-700 g), which is constantly in the working area of the screen printer for about 3 hours. Thus, the solvent contained in the paste evaporates when in contact with the external environment. The rate of evaporation of the solvent at room temperature υ is usually normalized to the rate of evaporation of butyl acetate. If the evaporation rate of butyl acetate is taken to be equal to unity, then when using a solvent with υ = 0.01 ÷ 0.035 in the composition of the metallization paste, after 1 hour of operation, the amount of evaporated solvent will be 15-18% by weight of that initially in the paste, which corresponds to an increase in its dynamic viscosity by 30 -35%. High-quality defect-free printing of the current-collecting contact through stencils with a stencil opening width of less than 50 microns at a printing speed of more than 200 mm / s using such a metallization paste is impossible. The value of υ of the solvents included in the paste, sufficient to exclude their early evaporation during the printing process, should be no more than 0.0025; then the increase in dynamic viscosity after 1 hour of operation does not exceed an acceptable 10%. The following substances can be used as solvents characterized by the value of the relative evaporation rate υ <0.0025 in the composition of the metallization paste: tripropylene glycol monomethyl ether, propylene glycol phenyl ether, ethylene glycol phenyl ether, diethylene glycol n-butyl ether acetate, diethylene glycol ether, diethylene glycol ether 4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, diethylene glycol dibutyl ether, tripropylene glycol n-butyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate, ethylhexylglycerol citrate and other materials required evaporation rate. The composition of the metallization paste can include either a single solvent or a mixture of several solvents in a proportion sufficient to perform the functions of a liquid binder. The concentration of the solvent in the composition of the metallization paste can be from 7.5 to 11.3%. Hereinafter, the concentrations of the components in the composition of the metallization paste are expressed in mass percent.
В состав металлизационной пасты входит органополисилоксановое соединение, функция которого сводится к поддержанию ламинарного характера течения пасты вдоль элементов технологической оснастки, благодаря чему происходит значительное улучшение печатных свойств пасты при нанесении через трафарет с шириной открытия менее 50 микрометров. В результате изготавливаемый проводник характеризуется выраженной структурой и четкими краями, что способствует повышению величины электрофизических параметров солнечных элементов с гетеропереходом. В качестве органополисилоксанового соединения в составе металлизационной пасты могут выступать такие материалы как полиэтилсилокан, полидиметилсилоксан, любая комбинация этих веществ. Предпочтительная концентрация органополисилоксанового соединения в составе металлизационной пасты лежит в диапазоне 0.05-0.3 массовых %. Более подробное описание механизма исключения дефектов, возникающих при печати металлизационной пасты через трафаретные открытия с шириной менее 50 мкм, за счет введения в состав пасты органополисилоксанового соединения с примерами реализации данной пасты дано в описании патента РФ на изобретение №2746270 (опубл. 12.04.2021).The composition of the metallization paste includes an organopolysiloxane compound, the function of which is to maintain the laminar nature of the paste flow along the elements of the technological equipment, due to which there is a significant improvement in the printing properties of the paste when applied through a stencil with an opening width of less than 50 micrometers. As a result, the manufactured conductor is characterized by a pronounced structure and clear edges, which contributes to an increase in the value of the electrophysical parameters of solar cells with a heterojunction. Materials such as polyethylsilocane, polydimethylsiloxane, or any combination of these substances can act as organopolysiloxane compounds in the composition of the metallization paste. The preferred concentration of the organopolysiloxane compound in the composition of the metallization paste is in the range of 0.05-0.3% by weight. A more detailed description of the mechanism for eliminating defects that arise when printing metallization paste through stencil openings with a width of less than 50 microns, due to the introduction of an organopolysiloxane compound into the paste, with examples of the implementation of this paste, is given in the description of the patent of the Russian Federation for invention No. 2746270 (publ. 12.04.2021) ...
В составе жидкого связующего роль адгезива может выполнять полимерный материал, характеризующийся способностью растворяться в заданном растворителе и обычно применяемый в составах конструкционных клеев, заливочных и пропитывающих компаундов, герметиков, мастик. На адгезионные свойства изготавливаемого проводника оказывают влияние такие свойства полимера, как пространственная структура, молекулярная масса, реакционная способность, наличие определенных функциональных групп и их взаимное расположение. В качестве адгезионной добавки могут применяться такие материалы, как фенокси смолы, термопластичные полиуретаны, натуральные и синтетические каучуки, поливинилбутираль, акриловые смолы, любая комбинация этих веществ.In the composition of a liquid binder, the role of an adhesive can be played by a polymer material characterized by the ability to dissolve in a given solvent and usually used in the composition of structural adhesives, potting and impregnating compounds, sealants, and mastics. The adhesion properties of the manufactured conductor are influenced by such properties of the polymer as the spatial structure, molecular weight, reactivity, the presence of certain functional groups and their mutual arrangement. Materials such as phenoxy resins, thermoplastic polyurethanes, natural and synthetic rubbers, polyvinyl butyral, acrylic resins, or any combination of these substances can be used as an adhesive additive.
Продолжительность процесса сушки лимитируется временем, необходимым для удаления растворителя из объема нанесенной пасты и формированием пространственной матрицы из полимерных молекулярных цепочек и звеньев. Под временем сушки описываемой металлизационной пасты далее понимается значение времени нахождения пластины с пастой в рабочей зоне технологического оборудования; под величиной температуры сушки описываемой металлизационной пасты далее понимается величина температуры, регистрируемая при помощи термопары, конец который касается непосредственно поверхности пластины, и цифрового регистрирующего устройства (например, Datapaq Solar Tracker, производитель Fluke Process Instruments, США). Для описываемой металлизационной пасты время сушки может изменяться в пределах от 30 секунд до 3 минут; температура сушки составляет от 210 до 240°C. Необходимо отметить, что достижение данных температур на поверхности пластин может осуществляется с помощью нагрева ультрафиолетовым или инфракрасным излучением, как совместно с конвекционным нагревом, так и без него.The duration of the drying process is limited by the time required to remove the solvent from the volume of the applied paste and to form a spatial matrix of polymer molecular chains and links. The drying time of the described metallization paste is further understood as the value of the residence time of the plate with the paste in the working area of the technological equipment; The value of the drying temperature of the described metallization paste is further understood as the value of the temperature recorded using a thermocouple, the end that touches directly the surface of the plate, and a digital recording device (for example, Datapaq Solar Tracker, manufactured by Fluke Process Instruments, USA). For the described metallization paste, the drying time can vary from 30 seconds to 3 minutes; the drying temperature is between 210 and 240 ° C. It should be noted that the achievement of these temperatures on the surface of the plates can be carried out by heating with ultraviolet or infrared radiation, both with or without convection heating.
Для достижения минимальной величины удельного электрического сопротивления в качестве электропроводящего наполнителя в составе описываемой металлизационной пасты применяется порошок серебра в концентрации 85.9-91.1%. Характеристиками порошка серебра, определяющими возможность его применения в составе металлизационной пасты для солнечных элементов с гетеропереходом, являются удельная площадь поверхности S (м2/г), гранулометрический состав D50 (мкм) и доля частиц γ с диаметром менее 300 нм (масс. % от общей массы порошка серебра).To achieve the minimum value of specific electrical resistance, silver powder at a concentration of 85.9-91.1% is used as an electrically conductive filler in the described metallization paste. The characteristics of the silver powder that determine its applicability in the composition metallization paste for a solar cell with a heterojunction is the specific surface area S (m 2 / g), particle size distribution of D50 (microns) and the proportion of γ particles with a diameter less than 300 nm (wt.% Of total weight of silver powder).
Величина удельной площади поверхности порошка серебра, измеряемая методом БЭТ, влияет на вязкость металлизационной пасты; при величине удельной площади поверхности, меньшей 1.0 м2/г, вязкость пасты оказывается низкой, что негативно сказывается на величине электрофизических параметров солнечных элементов с гетеропереходом вследствие растекания пасты по поверхности пластины, приводящему к дополнительному затенению. При величине удельной площади поверхности, большей 1,4 м2/г, вязкость пасты становится высокой, что приводит к дефектам изготавливаемого проводника в виде разрывов.The specific surface area of silver powder, measured by the BET method, affects the viscosity of the metallization paste; when the value of the specific surface area of less than 1.0 m 2 / g, the viscosity of the paste is low, which adversely affects the magnitude of electrophysical parameters of the solar cell with a heterojunction due to the spreading of paste on the wafer surface, which leads to an additional shading. When the specific surface area is greater than 1.4 m 2 / g, the viscosity of the paste becomes high, which leads to defects in the manufactured conductor in the form of breaks.
Свойством порошка серебра, определяющим его способность обеспечивать оптимальное удельное электрическое сопротивление изготавливаемого проводника, является количество и соотношение крупных и малых по размеру частиц в его составе. Данное свойство удобно выражать через величину диаметра частиц, которым обладают не более 50 % частиц анализируемой выборки порошка (D50, средний диаметр частиц). Для измерения этой характеристики применяют метод анализа гранулометрического состава, например, при помощи Malvern Mastersizer 2000 (производство Malvern Panalytical, Великобритания). Порошок серебра, применяющийся в данном изобретении, характеризуется величиной D50 от 1 до 5 мкм, при этом доля частиц с диаметром меньше 300 нм должна быть не менее 15%, предпочтительно не менее 30% от общего количества частиц в выборке. При содержании в порошке серебра частиц с диаметром менее 300 нм ниже 30% удельное сопротивление проводника на основе такой пасты недостаточно низкое для изготовления высокоэффективных солнечных элементов с гетеропереходом. При содержании частиц серебра с диаметром менее 300 нм большем, чем 40% от общего количества частиц в выборке металлизационная паста характеризуется высокой вязкостью, что в свою очередь приводит к дефектам изготавливаемого проводника в виде разрывов.The property of silver powder, which determines its ability to provide the optimal specific electrical resistance of the manufactured conductor, is the number and ratio of large and small particles in its composition. This property is conveniently expressed through the value of the particle diameter, which is possessed by no more than 50% of the particles of the analyzed sample of powder (D50, average particle diameter). To measure this characteristic, a particle size distribution method is used, for example, using a Malvern Mastersizer 2000 (manufactured by Malvern Panalytical, UK). The silver powder used in the present invention has a D50 value of 1 to 5 μm, while the proportion of particles with a diameter of less than 300 nm should be at least 15%, preferably at least 30% of the total number of particles in the sample. When silver powder contains particles with a diameter of less than 300 nm below 30%, the resistivity of a conductor based on such a paste is not low enough for the manufacture of high-performance solar cells with a heterojunction. When the content of silver particles with a diameter of less than 300 nm is greater than 40% of the total number of particles in the sample, the metallization paste is characterized by high viscosity, which in turn leads to defects in the manufactured conductor in the form of breaks.
Частицы порошка серебра, применяющегося в данном изобретении, могут иметь форму сфер, пластин или чешуек, дендритов, а также могут представлены в виде агломератов.The particles of the silver powder used in this invention can be in the form of spheres, plates or flakes, dendrites, and can also be presented in the form of agglomerates.
Установлено, что с увеличением концентрации полимера, отвечающего за адгезию после сушки (адгезионный полимер), в составе металлизационной пасты величина удельного электрического сопротивления проводника, изготовленного при помощи данной пасты, повышается. С другой стороны, снижение концентрации полимера приводит к ухудшению адгезии. Оптимальная концентрация адгезионного полимера в пасте лежит в пределах от 0.8 до 1.5%. Данные концентрации и характеристики порошка серебра и адгезионного полимера обеспечивают величину удельного электрического сопротивления металлизационной пасты не выше 6⋅10-6 Ом⋅см.It was found that with an increase in the concentration of the polymer responsible for adhesion after drying (adhesive polymer) in the composition of the metallization paste, the specific electrical resistance of the conductor made with this paste increases. On the other hand, a decrease in polymer concentration leads to a deterioration in adhesion. The optimum concentration of the adhesive polymer in the paste ranges from 0.8 to 1.5%. The given concentrations and characteristics of silver powder and adhesive polymer provide the value of the specific electrical resistance of the metallization paste not higher than 6⋅10 -6 Ohm⋅cm.
Эффект снижения температуры спекания микро- и наноразмерных частиц данного материала по сравнению с плавлением макрообъема того же материала хорошо известен в порошковой металлургии. Причина этого явления состоит в изменении соотношения числа атомов в объеме микро- или наночастиц и поверхностных атомов в пользу последних, вследствие чего разрушение регулярной структуры частиц требует значительно меньше тепловой энергии. Благодаря этому эффекту спекание соприкасающихся микро- и наноразмерных частиц электропроводящего наполнителя за счет взаимной диффузии их поверхностных атомов может протекать при относительно низких температурах, но в течение длительного времени.The effect of reducing the sintering temperature of micro- and nanosized particles of a given material in comparison with the melting of a macro-volume of the same material is well known in powder metallurgy. The reason for this phenomenon is the change in the ratio of the number of atoms in the volume of micro- or nanoparticles and surface atoms in favor of the latter, as a result of which the destruction of the regular structure of particles requires much less thermal energy. Due to this effect, sintering of contacting micro- and nanosized particles of electrically conductive filler due to mutual diffusion of their surface atoms can proceed at relatively low temperatures, but for a long time.
При применении в составе пасты микро- и наноразмерных частиц сокращение времени их спекания, а, следовательно, и времени отверждения металлизационной пасты при температуре существенно ниже температуры плавления макроскопического объема материала частиц возможно с использованием в составе жидкого связующего компонентов, в ходе температурной обработки обеспечивающих формирование дополнительных электропроводящих мостиков между более крупными частицами за счет разложения более мелких частиц. Условием протекания данного процесса является наличие в пространстве между Ag частицами свободных Ag+ ионов, при термообработке пасты отрывающихся от поверхности наиболее малых по размеру частиц. Другой необходимой составляющей являются ионы Х-, источником которых является галогенсодержащий полимер; в качестве Х- могут выступать ионы F-, Cl-, Br-, I-. В общем случае формирование электропроводящих мостиков протекает согласно следующей последовательности:When micro- and nanosized particles are used in the paste, it is possible to reduce the time of their sintering, and, consequently, the curing time of the metallization paste at a temperature significantly lower than the melting point of the macroscopic volume of the particle material, it is possible with the use of a liquid binder component in the composition of a liquid binder, which during heat treatment provides the formation of additional electrically conductive bridges between larger particles due to the decomposition of smaller particles. The condition for this process is the presence of free Ag + ions in the space between the Ag particles; during the heat treatment of the paste, the smallest particles are detached from the surface. Another necessary component is the X - ions, the source of which is the halogenated polymer; as X - ions F - , Cl - , Br - , I - can act. In general, the formation of electrically conductive bridges proceeds according to the following sequence:
- выделение иона Х- в ходе термической деструкции галогенсодержащего полимера;- the release of the X ion - during the thermal destruction of the halogen-containing polymer;
- формирование соединения AgX за счет ионов Ag+, мигрирующих с поверхности наноразмерных частиц;- the formation of the AgX compound due to Ag + ions migrating from the surface of nanosized particles;
- разложение AgX с выделением металлического серебра на поверхности крупных частиц.- decomposition of AgX with the release of metallic silver on the surface of large particles.
Описанные химические реакции протекают при температуре от 195 до 270°C, более предпочтительной является температура от 210 до 240°C. Для достижения и поддержания требуемой температуры подходит любая технология, например, конвекционный нагрев, нагрев за счет ультрафиолетового излучения, нагрев за счет ИК-излучения, другие технологии нагрева и любые их комбинация. Хорошо известное свойство галогенидов серебра AgX восстанавливаться до металлического серебра под воздействием света делает предпочтительным использование комбинации конвекционного и лучевого (ИК или УФ) методов нагрева.The described chemical reactions take place at a temperature of 195 to 270 ° C, more preferably a temperature of 210 to 240 ° C. Any technology is suitable to achieve and maintain the required temperature, for example, convection heating, ultraviolet heating, infrared heating, other heating technologies, or any combination thereof. The well-known property of silver halides AgX to be reduced to metallic silver by exposure to light makes it preferable to use a combination of convection and radiation (IR or UV) heating methods.
В качестве галогенсодержащего компонента в составе металлизационной пасты может применяться поливинилхлорид, хлорированный полиэтилен, хлоропреновый каучук, а также любая комбинация этих веществ. Для эффективного формирования электропроводящих мостиков величина концентрации галогенсодержащего компонента в составе металлизационной пасты должна быть в диапазоне 0.5-1.0 масс. %.Polyvinyl chloride, chlorinated polyethylene, chloroprene rubber, as well as any combination of these substances can be used as a halogen-containing component in the composition of the metallization paste. For the effective formation of electrically conductive bridges, the concentration of the halogen-containing component in the composition of the metallization paste should be in the range of 0.5-1.0 wt. %.
Далее под временем отверждения металлизационной пасты с галогенсодержащим компонентом понимается время, необходимое для формирования электропроводящих мостиков, обеспечивающих достижение оптимальной величины удельного электрического сопротивления данной пасты при заданной температуре. Установлено, что для описываемой металлизационной пасты время отверждения составляет от 30 секунд до 1.5 минут при температуре от 210 до 240°C, что соответствует времени и температуре сушки пасты. Данное обстоятельство означает возможность полного исключения операции отверждения металлизационной пасты с галогенсодержащим компонентом из технологического процесса изготовления солнечных элементов с гетеропереходом, что приводит к существенному повышению производительности и снижению себестоимости их изготовления.Further, the time required for the curing of a metallization paste with a halogen-containing component is the time required for the formation of electrically conductive bridges, which ensure the achievement of the optimal value of the specific electrical resistance of the given paste at a given temperature. It was found that for the described metallization paste, the curing time is from 30 seconds to 1.5 minutes at a temperature from 210 to 240 ° C, which corresponds to the time and temperature of drying the paste. This circumstance means that it is possible to completely exclude the operation of curing a metallization paste with a halogen-containing component from the technological process of manufacturing solar cells with a heterojunction, which leads to a significant increase in productivity and a decrease in the cost of their manufacture.
Важной характеристикой описываемой металлизационной пасты является применение в ее составе полимерных материалов, инертных при комнатной и повышенной температурах и не требующих применения отвердителей и катализаторов. Это гарантирует как стабильность всех свойств готового продукта при хранении и транспортировке, так и его полную функциональность непосредственно во всем временном цикле печати при использовании в производстве.An important characteristic of the described metallization paste is the use in its composition of polymeric materials that are inert at room and elevated temperatures and do not require the use of hardeners and catalysts. This guarantees both the stability of all properties of the finished product during storage and transportation, and its full functionality directly during the entire printing cycle during use in production.
Структура пластины для изготовления солнечных элементов с гетеропереходом включает слой кристаллического кремния n-типа, тонкий пассивирующий слой нелигированного аморфного гидрогенизированного кремния, слой аморфного гидрогенизированного кремния n- или p-типа проводимости и слой оксида индия-олова (ITO). Наиболее употребительным обозначением такого типа пластин является HJT (от англ. «heterojunction with intrinsic thin layer»). Известно, что пассивирующие свойства аморфного гидрогенизированного кремния ухудшаются под воздействием температуры более 200°C вследствие кристаллизации аморфного слоя и удаления водорода из области гетероперехода; при этом деградации гетероперехода предшествует диффузионное перемещение атомов водорода, на определенном этапе способствующее более полной пассивации свободных связей поверхности кристаллического кремния и сопровождающееся улучшением электропараметров HJT солнечного элемента. Помимо этого, при термообработке HJT пластины имеет место кристаллизация слоя ITO, также приводящая к противоположным эффектам: с одной стороны, к росту электропроводности HJT структуры, в результате которого происходит улучшение электрофизических параметров солнечного элемента, с другой стороны - к ухудшению антиотражающих свойств слоя ITO, что в конечном итоге ведет к снижению электрофизических параметров.The structure of a wafer for fabricating solar cells with a heterojunction includes a layer of crystalline n-type silicon, a thin passivating layer of unalloyed amorphous hydrogenated silicon, a layer of amorphous hydrogenated silicon of n- or p-type conductivity, and an indium tin oxide (ITO) layer. The most common designation for this type of plate is HJT (from the English "heterojunction with intrinsic thin layer"). It is known that the passivating properties of amorphous hydrogenated silicon deteriorate under the influence of a temperature of more than 200 ° C due to crystallization of the amorphous layer and the removal of hydrogen from the heterojunction region; In this case, the degradation of the heterojunction is preceded by the diffusion movement of hydrogen atoms, which at a certain stage contributes to a more complete passivation of free bonds of the crystalline silicon surface and is accompanied by an improvement in the electrical parameters of the HJT solar cell. In addition, during the heat treatment of the HJT plate, crystallization of the ITO layer takes place, which also leads to opposite effects: on the one hand, to an increase in the electrical conductivity of the HJT structure, as a result of which the electrophysical parameters of the solar cell are improved, on the other hand, to a deterioration in the antireflection properties of the ITO layer. which ultimately leads to a decrease in the electrophysical parameters.
Для установления оптимального режима термообработки кремниевых HJT пластин, соответствующего протеканию пассивации кристаллического кремния и росту электропроводности слоя ITO и HJT структуры в целом, 4 группы HJT пластин без металлизации подвергались термической обработке в печи конвекционного нагрева при температуре 195, 210, 225 и 240°C в течение различных промежутков времени продолжительностью до 35 минут. На фиг. 1 приведены результаты измерения величины напряжения холостого хода Voc для каждой из групп пластин при возбуждении неравновесных носителей заряда за счет освещения пластины источником электромагнитного излучения, имитирующим солнечный свет, мощностью 1000 Вт/м2. После 1.5 минут термообработки для каждой из групп HJT пластин характерен прирост величины напряжения холостого хода Voc на 15-25 мВ, обусловленный снижением скорости рекомбинации неравновесных носителей заряда в области гетероперехода в результате описанных эффектов улучшения пассивации кристаллического кремния и увеличения электропроводности ITO. Данному увеличению напряжения холостого хода Voc HJT пластин соответствует прирост коэффициента полезного действия HJT солнечных элементов на 0.5 абс. %. С увеличением времени термообработки HJT пластин эффект прироста Voc достигает максимума в течение 35 минут при 195°C. Данный длительный режим термообработки характерен для металлизационных паст на основе эпоксидных смол, что говорит о совместимости процессов полимеризации эпоксидной смолы и пассивации/кристаллизации HJT пластины. При более высоких температурах эффект прироста Voc еще более выражен и достигает максимума в течение 15 минут при 210°C и в течение 1.5 минут при 225-240°C. Следовательно, реализация заявленного изобретения применительно к увеличению производительности изготовления HJT солнечных элементов за счет однократной кратковременной температурной обработки HJT пластины с нанесенной металлизационной пастой возможна при условии, что данная металлизационная паста характеризуется временем отверждения от 30 секунд до 3 минут при температуре 210-240°C.To establish the optimal heat treatment mode for silicon HJT wafers corresponding to the passivation of crystalline silicon and an increase in the electrical conductivity of the ITO layer and the HJT structure as a whole, 4 groups of HJT wafers without metallization were heat treated in a convection heating furnace at temperatures of 195, 210, 225, and 240 ° C at for various periods of time up to 35 minutes. FIG. 1 shows the results of measuring the open circuit voltage V oc for each of the groups of plates upon excitation of nonequilibrium charge carriers due to the illumination of the plate by a source of electromagnetic radiation simulating sunlight with a power of 1000 W / m 2 . After 1.5 minutes of heat treatment, each of the groups of HJT wafers is characterized by an increase in the open circuit voltage V oc by 15-25 mV, due to a decrease in the rate of recombination of nonequilibrium charge carriers in the heterojunction region as a result of the described effects of improving the passivation of crystalline silicon and an increase in the ITO electrical conductivity. This increase in the open-circuit voltage V oc of HJT plates corresponds to an increase in the efficiency of HJT solar cells by 0.5 abs. %. With an increase in the heat treatment time of the HJT wafers, the effect of the increase in V oc reaches a maximum within 35 minutes at 195 ° C. This long-term heat treatment mode is typical for metallization pastes based on epoxy resins, which indicates the compatibility of the processes of epoxy resin polymerization and passivation / crystallization of the HJT plate. At higher temperatures, the increase in V oc is even more pronounced and reaches a maximum within 15 minutes at 210 ° C and within 1.5 minutes at 225-240 ° C. Therefore, the implementation of the claimed invention in relation to increasing the productivity of manufacturing HJT solar cells due to a single short-term temperature treatment of the HJT plate coated with a metallization paste is possible provided that this metallization paste has a curing time from 30 seconds to 3 minutes at a temperature of 210-240 ° C.
ПримерыExamples of
Существенные черты описываемого изобретения детально раскрыты в примерах его реализации ниже.The essential features of the described invention are disclosed in detail in the examples of its implementation below.
Изготовление опытных образцов металлизационных паст выполнялось согласно следующей последовательности действий: полимерные материалы в виде сыпучих порошков или гранул растворялись в органическом растворителе при температуре 80-90°C и равномерном перемешивании; жидкие смолы смешивались с растворителем без нагревания; затем в полученное таким образом жидкое связующее добавляли требуемое количество порошка серебра при интенсивном перемешивании с помощью механического смесителя; на заключительном этапе паста приводилась к состоянию гомогенной смеси с использованием трехвалковой мельницы. Серебряный порошок, применяющийся для изготовления опытных образцов, характеризуется оптимальными значениями среднего диаметра частиц D50 = 5 мкм, удельной площади поверхности S = 1.5 м2/г, и доли частиц с диаметром менее 300 нм γ = 30%.The production of prototypes of metallization pastes was carried out according to the following sequence of actions: polymer materials in the form of free-flowing powders or granules were dissolved in an organic solvent at a temperature of 80-90 ° C and uniform stirring; liquid resins were mixed with solvent without heating; then, the required amount of silver powder was added to the liquid binder thus obtained with vigorous stirring with a mechanical mixer; at the final stage, the paste was brought to the state of a homogeneous mixture using a three-roll mill. Silver powder is used for production of prototypes, it is characterized by optimum values of the mean particle diameter D50 = 5 m, specific surface area S = 1.5 m 2 / g, and the proportion of particles with a diameter less than 300 nm, γ = 30%.
Нанесение образцов металлизационных паст проводилось на кремниевые или стеклянные подложки методом трафаретной печати с помощью трафаретного принтера Ekra E2 (производство ASYS, ФРГ). Условия печати и применяемая оснастка описаны далее. Для проведения операции сушки подложек с нанесенными образцами паст использовалась конвейерная печь JRT DT-040-Rk-X (производство JRT, ФРГ) при заданном температурно-временном режиме.The deposition of samples of metallization pastes was carried out on silicon or glass substrates by screen printing using an Ekra E2 screen printer (manufactured by ASYS, Germany). Printing conditions and used accessories are described below. To carry out the operation of drying the substrates with deposited samples of pastes, a JRT DT-040-Rk-X conveyor furnace (manufactured by JRT, Germany) was used at a given temperature-time regime.
Образцы 1 и 2 иллюстрируют влияние скорости испарения растворителя υ на вязкость металлизационной пасты и в конечном итоге на ее печатные свойства.
Образец 1. Растворение 10 г твердой акриловой смолы в 90 г монобутилового эфира диэтиленгликоля (υ > 0.0025), перемешивание 10 г полученного жидкого связующего с 90 г порошка серебра Ag 1, гомогенизация пасты.
Образец 2. Аналогичен образцу 1, но в качестве растворителя использован фениловый эфир этиленгликоля (υ < 0.0025).
Оценка влияния скорости испарения производилась по изменению величины динамической вязкости образцов №1 и 2, имевшей место в ходе трафаретной печати; для этого в течение 3 часов производилась непрерывная печать образцов пасты по 500 г при температуре 23-25°C и включенной вытяжной вентиляции в трафаретном принтере. Каждые 15 минут проводился отбор пробы образца и измерение его вязкости при помощи ротационного реометра HAAKE RotoVisco RV1 (скорость 100 с-1, тип ротора 30/1). Итоговая зависимость вязкости образцов паст от времени печати, представленная на фиг. 2, демонстрирует увеличение вязкости образца 1 по сравнению с образцом 2 на 100 % в течение 3 часов, что способствует появлению дефектов при печати образца 1 в виде разрывов. Изменение вязкости образца 2 в тех же условиях составило 5%, что гарантирует приемлемые характеристики печати в течение всего производственного цикла.Evaluation of the effect of the rate of evaporation was carried out according to the change in the value of the dynamic viscosity of samples No. 1 and 2, which took place in the course of screen printing; For this, within 3 hours, continuous printing of 500 g samples of the paste was carried out at a temperature of 23-25 ° C and the exhaust ventilation was switched on in a stencil printer. Every 15 minutes, a sample was taken and its viscosity was measured using a HAAKE RotoVisco RV1 rotary rheometer (speed 100 s -1 ,
На фиг. 3 показана зависимость линейного электрического сопротивления проводника Rline (сопротивления, приведенного к длине проводника) от скорости печати металлизационной пасты при использовании трафаретных открытий шириной от 20 до 50 мкм. Исключение дефектов, возникающих при в ходе трафаретной печати, за счет подбора растворителя с низкой скоростью испарения и введения в состав металлизационной пасты органополисилоксанового соединения делает возможным нанесение данной пасты при скорости печати до 400 мм/с.FIG. 3 shows the dependence of the linear electrical resistance of the conductor R line (resistance reduced to the length of the conductor) on the printing speed of the metallization paste when using stencil openings with a width of 20 to 50 microns. The elimination of defects arising during screen printing, due to the selection of a solvent with a low evaporation rate and the introduction of an organopolysiloxane compound into the metallization paste, makes it possible to apply this paste at a printing speed of up to 400 mm / s.
Влияние типа полимера на величину удельного электрического сопротивления и время отверждения металлизационной пасты показано на примере опытных образцов №3-6.The influence of the type of polymer on the value of the electrical resistivity and the curing time of the metallization paste is shown on the example of prototypes No. 3-6.
Образец 3. Растворение 10 г поливинилхлорида в 90 г монобутилового эфира диэтиленгликоля, перемешивание 10 г полученного жидкого связующего с 90 г порошка серебра, гомогенизация пасты.
Образец 4. Растворение 10 г акриловой смолы в 90 г монобутилового эфира диэтиленгликоля, перемешивание 10 г полученного жидкого связующего с 90 г порошка серебра, гомогенизация пасты.
Образец 5. Растворение 10 г термопластичного полиуретана в 90 г монобутилового эфира диэтиленгликоля, перемешивание 10 г полученного жидкого связующего с 90 г порошка серебра, гомогенизация пасты.Sample 5. Dissolving 10 g of thermoplastic polyurethane in 90 g of diethylene glycol monobutyl ether, mixing 10 g of the resulting liquid binder with 90 g of silver powder, homogenizing the paste.
Образец 6. Разбавление 9 г эпоксидной смолы типа бисфенол Ф с добавлением 1 г 2-этил-4-метилимидазола в качестве отвердителя в 90 г монобутилового эфира диэтиленгликоля, перемешивание 10 г полученного жидкого связующего с 90 г порошка серебра, гомогенизация пасты.
Для измерения удельного электрического сопротивления опытных образцов металлизационной пасты №3-6 применялись тестовые платы из стекла с нанесенными при помощи трафаретного принтера проводниками известной длины L [см] с использованием трафарета на основе стальной сетки типа 200 нитей на дюйм. Измерение абсолютной величины электрического сопротивления тестовых проводников R [Ом] проводилось при помощи миллиомметра Е6-25, далее при помощи микроскопа Olympus МХ51 (производитель Olympus Corporation, Япония) производилось точное измерение ширины W [см] и высоты H [см] проводника и вычисление удельного электрического сопротивления ρ соответствующего образца металлизационной пасты согласно выражения ρ = R⋅W⋅H/L [Ом⋅см]. Для определения времени отверждения образцов металлизационных паст №3-6 термообработка пластин с образцами проводилась при температуре 225°C в течение 1.5, 3, 15, 30 и 45 минут; результирующие зависимости удельного электрического сопротивления ρ от продолжительности термообработки представлены на фиг. 4. Полученные данные демонстрируют существенное влияние природы полимера в составе металлизационной пасты на величину удельного электрического сопротивления ρ после термообработки, а, следовательно, и на итоговую величину электрофизических параметров солнечного элемента с гетеропереходом. Все образцы металлизационных паст характеризуются величиной удельного электрического сопротивления ρ ниже 6⋅10-6 Ом⋅см, что является достаточным для изготовления высокоэффективных солнечных элементов с гетеропереходом, но время, которое необходимо затратить для достижения низкого ρ, в зависимости от природы полимера различно, и составляет 45 мин для эпоксидной смолы и термопластичного полиуретана, 30 минут для акриловой смолы и 1.5 минуты для поливинилхлорида. Следовательно, металлизационная паста на основе галогенсодержащего компонента, а именно поливинилхлорида, характеризуется временем отверждения 1.5 минуты при температуре 225°C. Данный режим термообработки пасты совместим с оптимальным режимом термообработки кремниевых HJT пластин, соответствующим протеканию пассивации кристаллического кремния и росту электропроводности слоя ITO и HJT структуры в целом. Следовательно, реализация заявленного изобретения применительно к увеличению производительности изготовления HJT солнечных элементов за счет однократной кратковременной температурной обработки HJT пластины с нанесенной металлизационной пастой возможна при использовании металлизационной пасты на основе галогенсодержащего компонента.To measure the electrical resistivity of the prototypes of metallization paste No. 3-6, test boards made of glass with conductors of known length L [cm] applied using a stencil printer were used using a stencil based on a steel mesh of 200 threads per inch type. The measurement of the absolute value of the electrical resistance of the test conductors R [Ohm] was carried out using an E6-25 milliohmmeter, then, using an Olympus MX51 microscope (manufactured by Olympus Corporation, Japan), an accurate measurement of the width W [cm] and height H [cm] of the conductor was performed and the specific electrical resistance ρ of the corresponding sample of metallization paste according to the expression ρ = R⋅W⋅H / L [Ohm⋅cm]. To determine the curing time of the samples of metallization pastes No. 3-6, the heat treatment of the plates with the samples was carried out at a temperature of 225 ° C for 1.5, 3, 15, 30 and 45 minutes; the resulting dependences of the electrical resistivity ρ on the duration of the heat treatment are shown in FIG. 4. The data obtained demonstrate a significant effect of the nature of the polymer in the composition of the metallization paste on the resistivity ρ after heat treatment, and, consequently, on the final value of the electrophysical parameters of a solar cell with a heterojunction. All samples of metallization pastes are characterized by a specific electrical resistance ρ below 6⋅10 -6 Ohm⋅cm, which is sufficient for the manufacture of highly efficient solar cells with a heterojunction, but the time required to achieve a low ρ, depending on the nature of the polymer, is different, and is 45 minutes for epoxy and TPU, 30 minutes for acrylic and 1.5 minutes for PVC. Therefore, metallization paste based on a halogen-containing component, namely polyvinyl chloride, has a cure time of 1.5 minutes at 225 ° C. This mode of heat treatment of the paste is compatible with the optimal mode of heat treatment of silicon HJT wafers, corresponding to the passivation of crystalline silicon and an increase in the electrical conductivity of the ITO layer and the HJT structure as a whole. Therefore, the implementation of the claimed invention in relation to increasing the productivity of manufacturing HJT solar cells due to a single short-term temperature treatment of the HJT plate coated with a metallization paste is possible using a metallization paste based on a halogen-containing component.
Зависимости удельного электрического сопротивления проводника ρ и времени отверждения металлизационной пасты от концентрации галогенсодержащего компонента для температуры 210 и 240°C, а также оценка силы адгезии после сушки показаны на примере опытных образцов паст №7-10. В таблице 1 представлены составы опытных образцов металлизационных паст с указанием массовой доли каждого компонента, оценки адгезии после сушки, величины удельного электрического сопротивления и времени отверждения.The dependences of the electrical resistivity of the conductor ρ and the curing time of the metallization paste on the concentration of the halogen-containing component for temperatures of 210 and 240 ° C, as well as the assessment of the adhesion force after drying are shown using the example of test samples of pastes No. 7-10. Table 1 shows the compositions of the prototypes of metallization pastes with an indication of the mass fraction of each component, the assessment of adhesion after drying, the value of the electrical resistivity and the curing time.
Таблица 1Table 1
В опытных образцах №7-10 содержание галогенсодержащего полимера растет за счет пропорционального снижения количества адгезионного полимера, таким образом суммарная концентрация адгезионного и галогенсодержащего полимеров сохраняется постоянной для корректного сравнения величины удельного электрического сопротивления ρ.In experimental samples No. 7-10, the content of the halogen-containing polymer increases due to a proportional decrease in the amount of the adhesive polymer, thus the total concentration of the adhesive and halogen-containing polymers remains constant for correct comparison of the specific electrical resistance ρ.
Образцы металлизационной пасты №7-10 наносились на HJT пластины методом трафаретной печати с использованием трафарета с шириной открытия 40 мкм на основе стальной сетки типа 380 нитей на дюйм, затем пластины подвергались однократной термообработке при температуре 210°C в течение 3 минут. Для качественной оценки силы адгезии пасты и поверхности пластины применялась клейкая лента (например, Scotch Magic 3M). Полоса скотча длиной 5-6 см приклеивалась к слою металлизационной пасты перпендикулярно направлению электропроводящих дорожек и проглаживалась до полного прилипания. Затем полоса клейкой ленты резко отсоединялась от пластины вручную в направлении, строго параллельном поверхности пластины. Качественной мерой силы адгезии служит общее количество оставшихся на ленте проводниковых дорожек и степень их проявления. Для образца №10 с минимальной концентрацией адгезионного полимера 0.5 % около 50% дорожек полностью остаются на клейкой ленте, в то время как после испытания образцов №7, 8 и 9 лента остается чистой за счет частичной замены галогенсодержащего полимера на адгезионный полимер.Samples of metallization paste # 7-10 were screen printed on HJT plates using a 40 µm stencil based on 380 thread per inch steel mesh, then the plates were heat treated once at 210 ° C for 3 minutes. An adhesive tape (eg Scotch Magic 3M) was used to qualitatively assess the adhesion strength of the paste to the plate surface. A strip of adhesive tape 5-6 cm long was glued to the layer of metallization paste perpendicular to the direction of the electrically conductive tracks and ironed until adhered completely. Then the strip of adhesive tape was abruptly detached from the plate by hand in a direction strictly parallel to the surface of the plate. A qualitative measure of the strength of adhesion is the total number of traces remaining on the tape and the degree of their manifestation. For sample No. 10 with a minimum concentration of 0.5% adhesive polymer, about 50% of the tracks remain completely on the adhesive tape, while after testing samples No. 7, 8 and 9, the tape remains clean due to partial replacement of the halogen-containing polymer with adhesive polymer.
Согласно таблице 1 время отверждения образца №7 с минимальной концентрацией галогенсодержащего полимера 0.1%, в ходе которого величина его удельного электрического сопротивления снижается до 6⋅10-6 Ом⋅см, составляет 6-8 минут при температуре 210-240°C, что не соответствует заявленной цели изобретения по увеличению производительности изготовления солнечных элементов с гетеропереходом за счет однократной кратковременной температурной обработки пластин с нанесенной металлизационной пастой. При содержании галогенсодержащего полимера в составе металлизационной пасты в диапазоне 0.5-1.0% (образцы №8 и 9) время отверждения при температуре 210-240°C составляет от 30 секунд до 3 минут при достаточной силе адгезии после однократной температурной обработки.According to table 1, the curing time of sample No. 7 with a minimum concentration of a halogen-containing polymer of 0.1%, during which the value of its resistivity decreases to 6⋅10 -6 Ohm⋅cm, is 6-8 minutes at a temperature of 210-240 ° C, which is not corresponds to the stated aim of the invention to increase the productivity of manufacturing solar cells with a heterojunction due to a single short-term temperature treatment of the plates with the deposited metallization paste. When the content of the halogen-containing polymer in the composition of the metallization paste is in the range of 0.5-1.0% (samples No. 8 and 9), the curing time at a temperature of 210-240 ° C is from 30 seconds to 3 minutes with sufficient adhesion strength after a single temperature treatment.
Claims (4)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021112541A RU2762374C1 (en) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction |
| PCT/RU2022/050012 WO2022231472A1 (en) | 2021-04-29 | 2022-01-18 | Method of forming a current-collecting contact on the surface of heterojunction solar cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021112541A RU2762374C1 (en) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2762374C1 true RU2762374C1 (en) | 2021-12-20 |
Family
ID=79175420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021112541A RU2762374C1 (en) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2762374C1 (en) |
| WO (1) | WO2022231472A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU224837U1 (en) * | 2023-09-19 | 2024-04-05 | Общество с ограниченной ответственностью "КБ НП" | Solder Paste Screen Printer |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004067647A2 (en) * | 2003-01-29 | 2004-08-12 | Parelec Inc. | High conductivity inks with low minimum curing temperatures |
| WO2009035453A1 (en) * | 2007-09-13 | 2009-03-19 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Electrically conductive composition |
| RU2388774C2 (en) * | 2005-03-04 | 2010-05-10 | Инктек Ко., Лтд. | Conductive ink and method of making said ink |
| US7718092B2 (en) * | 2005-10-11 | 2010-05-18 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Aluminum thick film composition(s), electrode(s), semiconductor device(s) and methods of making thereof |
| RU2531519C1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-10-20 | Закрытое акционерное общество "Монокристалл" ЗАО "Монокристалл" | Aluminium paste for silicon solar cells |
| RU2602844C2 (en) * | 2012-05-04 | 2016-11-20 | Аб Микроэлектроник Гезелльшафт Мит Бешренктер Хафтунг | Method for producing a metallized substrate consisting of aluminium |
| RU2632266C2 (en) * | 2016-02-09 | 2017-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе", ООО "НТЦ ТПТ" | Heterostructure photoelectric converter based on crystalline silicon |
| RU2720133C2 (en) * | 2015-02-26 | 2020-04-24 | Дайнемик Солар Системс Аг | Method of producing electrotechnical thin films at room temperature and electrotechnical thin film |
-
2021
- 2021-04-29 RU RU2021112541A patent/RU2762374C1/en active
-
2022
- 2022-01-18 WO PCT/RU2022/050012 patent/WO2022231472A1/en active Application Filing
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004067647A2 (en) * | 2003-01-29 | 2004-08-12 | Parelec Inc. | High conductivity inks with low minimum curing temperatures |
| RU2388774C2 (en) * | 2005-03-04 | 2010-05-10 | Инктек Ко., Лтд. | Conductive ink and method of making said ink |
| US7718092B2 (en) * | 2005-10-11 | 2010-05-18 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Aluminum thick film composition(s), electrode(s), semiconductor device(s) and methods of making thereof |
| WO2009035453A1 (en) * | 2007-09-13 | 2009-03-19 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Electrically conductive composition |
| RU2602844C2 (en) * | 2012-05-04 | 2016-11-20 | Аб Микроэлектроник Гезелльшафт Мит Бешренктер Хафтунг | Method for producing a metallized substrate consisting of aluminium |
| RU2531519C1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-10-20 | Закрытое акционерное общество "Монокристалл" ЗАО "Монокристалл" | Aluminium paste for silicon solar cells |
| RU2720133C2 (en) * | 2015-02-26 | 2020-04-24 | Дайнемик Солар Системс Аг | Method of producing electrotechnical thin films at room temperature and electrotechnical thin film |
| RU2632266C2 (en) * | 2016-02-09 | 2017-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе", ООО "НТЦ ТПТ" | Heterostructure photoelectric converter based on crystalline silicon |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU224837U1 (en) * | 2023-09-19 | 2024-04-05 | Общество с ограниченной ответственностью "КБ НП" | Solder Paste Screen Printer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022231472A1 (en) | 2022-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5557005B2 (en) | Conductive paste composition and method for producing the same | |
| US7722786B2 (en) | Conductive materials | |
| US20100009153A1 (en) | Conductive inks and pastes | |
| Yoshida et al. | Novel low-temperature-sintering type Cu-alloy pastes for silicon solar cells | |
| KR20110033937A (en) | Polymer thick film silver electrode composition for use in thin-film photovoltaic cells | |
| KR20120115128A (en) | Ag paste composition for forming electrode and preparation method thereof | |
| KR100567308B1 (en) | Zinc Polymer Thick Film Composition | |
| US9034417B2 (en) | Photonic sintering of polymer thick film conductor compositions | |
| CN1624810A (en) | Thick film conductor compositions for use in membrane switch applications | |
| US9773989B2 (en) | Method for producing metal thin film and conductive structure | |
| EP3420564A1 (en) | Conductive paste comprising a silicone oil | |
| TW201303897A (en) | Solderable polymer thick film conductive electrode composition for use in thin-film photovoltaic cells and other applications | |
| CN108352414B (en) | Sinterable composition for solar photovoltaic cells | |
| JP5326647B2 (en) | Method for producing composition for forming electrode of solar cell | |
| JP5353163B2 (en) | Conductive ink composition and solar cell in which collector electrode is formed using the composition | |
| KR20150066552A (en) | Transparent electrode and associated production method | |
| JP6626709B2 (en) | ITO conductive film and paint for forming the ITO conductive film | |
| RU2762374C1 (en) | Method for forming a current-collecting contact on the surface of solar cells with a heterojunction | |
| JP2013149618A (en) | Polymer thick film solder alloy conductor composition | |
| JP3534841B2 (en) | Conductive adhesive composition and conductive adhesive tape using the same | |
| EP3170188B1 (en) | Polymer thick film silver conductor with inverted cure profile behavior | |
| KR20120056885A (en) | Polymer thick film silver electrode composition for use as a plating link | |
| RU2746270C1 (en) | Polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions | |
| JP5692295B2 (en) | Method for forming solar cell collector electrode and solar cell module provided with the solar cell | |
| JP2014078716A (en) | Lamination of polymer thick film conductor compositions |