一种微细金属线太阳能电池栅极及制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种微细金属线太阳能电池栅极及制备方法。

背景技术：

随着地球气候的变暖，人类社会以石化能源为主的结构将逐步被以清洁能源为主的结构所替代，而清洁能源中太阳能的利用将最终主导能源领域。太阳能的利用主要是以光热和光伏的形式进行能量的转化，其中光伏发电是以太阳能电池为核心进行光电转换而获得电能。太阳能电池主要包括晶体硅和薄膜电池，晶体硅太阳能电池因材料来源广泛及制造工艺较为成熟而主导了光伏发电领域，占据90%以上的市场份额；薄膜电池主要包括非晶（微）硅、铜铟镓硒、碲化镉等化合物半导体薄膜太阳能电池，因其轻薄等特点也占据一定的市场份额。目前太阳能电池的发电成本仍然高于传统的石化燃料的发电成本，需要进一步发展高效率低成本的太阳能电池技术，使得光伏发电的成本可与石化能源竞争，才可大规模应用。晶体硅太阳能电池可分为多晶硅和单晶硅电池，随着技术的进步，在硅材料和电池制造的成本不断下降的同时，晶硅电池产品的光电转换效率已超过20%，单晶硅电池的实验室效率已超过25%。在各类太阳能电池的制造中，主要从制造的能耗和材料环节来降低成本，并从器件结构优化来提升电池的光电转换效率。以晶体硅太阳能电池为例，除了各制造工艺环节的能耗外，电池材料中比例最大的主要包括硅片和电池的电极栅线贵金属银材料。其中硅片成本主要是通过减小硅片厚度（如从200µm减至100µm）来降低材料的消耗；电池的电极栅线主要是通过丝网印刷工艺将银浆料在硅表面印成薄膜后，再经高温（800℃）烧结而形成导电电极。目前主要采用丝网印刷工艺的晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池产品的表面电极栅线的典型宽度为70-80µm。为减小银材料的用量，同时减小电极栅线的遮光面积而提升电池的效率，新发展的丝网印刷技术可将栅线宽印刷到约40-50µm，若进一步减小宽度，将会影响栅线工艺的一致性、电导率、成品率等性能，不易实现规模化生产。故采用丝网印刷技术来减小银电极栅线的宽度而降低成本的方法将受到限制。目前研究的减小银电极栅线宽度的方法主要是采用喷墨打印工艺将纳米银墨水印刷至电池表面，再进行热处理后，可获得线宽约20-30µm的银栅线，但因纳米银墨水成本较高，同时喷墨打印的生产效率和一致性等问题还需进行研究解决，此技术还在实验室研究阶段，难以产业化应用。另外的方法是，采用可替代贵金属银材料的工艺如电镀铜工艺来降低电极栅线的成本，主要是通过激光将硅电池表面的氮化硅等薄膜层刻蚀后，先电镀一层镍薄膜作为阻挡层，然后采用电镀或化学镀工艺进行铜电极栅线的制备，此工艺涉及电镀（化学镀）工艺，易造成污染；同时所制备的铜电极栅线的电导率、一致性、附着性等工艺还需进一步研究。太阳能电池的栅线电极的电镀工艺目前也处于实验室研究阶段，是否能实现规模产业化应用也需要进一步验证。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，采用了一种镀有纳米银薄膜的金属线作为电池的电极栅线，可代替现有的丝网印刷银电极栅线，可大幅降低银材料的用量和成本，同时可增加电极栅线的电导率；因采用了镀银的微细金属线，可增加对入射光的反射和散射而提高照射至电池表面的光通量，又因栅线宽度减小而使得电极遮光面积减小，可显著提高电池的光电转换效率。

为实现上述目的，设计一种微细金属线太阳能电池栅极，包括电池，其特征在于：在电池的表面上设有氮化硅薄膜，氮化硅薄膜上采用激光工艺设有线槽，线槽内嵌设有金属线；所述的金属线的表面包覆有纳米银薄膜。

所述的金属线为银线或者铜线或者铝线或者其合金线，金属线的直径为10~20µm。

所述的线槽的宽度为5~15µm，线槽的深度为0.2~5µm。

所述的纳米银薄膜的厚度为0.2~2µm。

所述的纳米银薄膜由粒度分布为5~150nm范围的纳米银颗粒组成。

所述的纳米银薄膜由直径为5~150nm，长度为1~10µm的银线组成。

具体制备方法如下：

（1）采用激光将镀有氮化硅薄膜的太阳能电池表面的氮化硅薄膜按设计的栅极线条图案进行刻蚀，露出电池的表面，所刻出的线槽宽度范围为5~15µm，深度为0.2~5µm；

（2）将镀有纳米银薄膜的金属线对准激光刻蚀的线槽进行贴敷，然后再采用激光将金属线切割断，即完成电池表面的栅线电极固定；

（3）将镀有纳米银薄膜的金属线与电池表面焊接，金属线与电池表面接触的纳米银薄膜在焊接温度的作用下会熔融，使得金属线与硅表面形成良好的欧姆接触。

所述的步骤（2）中，金属线为1根或者多根同时对准线槽并贴敷于电池表面。

所述的步骤（3）中，焊接工艺为红外辐照或者热处理，焊接温度为120~250℃。

所述的微细金属线太阳能电池栅极应用于太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅、非（微）晶硅、碲化镉、铜铟镓锡一种或多种器件的制造。

本发明同现有技术相比，镀有纳米银薄膜的金属线作为电极栅线，特别适合采用新型的细栅线阵列结构，可很均匀地将电池的光电流收集在一起，内阻低、效率高、贵金属材料使用极少，电池遮光面积小，可大幅提升电池的光电转换效率，同时有效降低电极贵金属材料的使用量而使得电池电极材料成本大幅降低。

本发明的镀纳米银薄膜的微细金属线作为太阳能电池的栅电极的方法，适用于单晶硅电池、多晶硅电池、非（微）晶硅异质结（HIT）电池、非（微）晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、锑化镉薄膜电池等的栅电极制备，与现有的丝网印刷银薄膜栅电极的工艺相比，可大幅减少银材料的消耗，并显著提升电池的光电转换效率。同时因采用了低温烧结工艺，降低了电极制造的能耗，使得电池的制造成本进一步降低，为太阳能电池发电技术的普及化应用打下了基础。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图。

图2为本发明工艺流程和结构放大示意图。

图3为典型的丝网印刷银栅极使用示意图。

图4为本发明电池栅极使用示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1，图2所示，在电池1的表面上设有氮化硅薄膜2，氮化硅薄膜2上采用激光3工艺设有线槽4，线槽4内嵌设有金属线5；所述的金属线5的表面包覆有纳米银薄膜6。

金属线5为银线或者铜线或者铝线或者其合金线，金属线5的直径为10~20µm。

线槽4的宽度为5~15µm，线槽4的深度为0.2~5µm。

纳米银薄膜6的厚度为0.2~2µm。

纳米银薄膜6由粒度分布为5~150nm范围的纳米银颗粒组成。

纳米银薄膜6由直径为5~150nm，长度为1~10µm的银线组成。

具体制备方法如下：

（1）采用激光将镀有氮化硅薄膜的太阳能电池表面的氮化硅薄膜按设计的栅极线条图案进行刻蚀，露出电池的表面，所刻出的线槽宽度范围为5~15µm，深度为0.2~5µm；

（2）将镀有纳米银薄膜的金属线对准激光刻蚀的线槽进行贴敷，然后再采用激光将金属线切割断，即完成电池表面的栅线电极固定；

（3）将镀有纳米银薄膜的金属线与电池表面焊接，金属线与电池表面接触的纳米银薄膜在焊接温度的作用下会熔融，使得金属线与硅表面形成良好的欧姆接触。

步骤（2）中，金属线为1根或者多根同时对准线槽并贴敷于电池表面。

步骤（3）中，焊接工艺为红外辐照或者热处理，焊接温度为120~250℃。

微细金属线太阳能电池栅极应用于太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅、非（微）晶硅、碲化镉、铜铟镓锡一种或多种器件的制造。

本发明的栅电极制备工艺过程示意图如图1和图2所示。以晶体硅太阳能电池器件为例，图1中的1为电池，2为氮化硅薄膜；经过激光束3照射后，氮化硅薄膜被刻蚀后在硅表面形成线槽4；然后将镀纳米银膜的金属线5对准线槽4帖附，经加温后纳米银熔融使得金属线与硅表面焊接在一起。如图2所示，镀有纳米银薄膜6的金属线5对准线槽4与电池1表面相连接，采用红外光辐照，使得金属线5表面的纳米银熔化后形成致密的纳米银薄膜6并与电池1表面焊接形成良好的欧姆接触。

本发明因采用了单晶或多晶结构的金属线包括银、铜、铝之一或者其合金线作为电极栅线，使得电极栅线的电导率大幅提升。而采用丝网印刷的银浆料中因含有非导电的氧化物如氧化硅、氧化铋、氧化硼等微粒，在高温处理后所形成的薄膜的电阻率较高，如薄膜电阻的典型值约为3µΩ/cm²；而金属线表面涂覆的纳米银薄膜经红外线辐照后，可形成致密的多晶金属银薄膜，与电池表面形成了良好的欧姆接触，如典型的电阻值小于1µΩ/cm²。故采用本发明的镀银膜金属线可减少电极与电池表面的接触电阻及导电过程中的欧姆损耗，可增加硅电池产生的光电流而增加电池的光电转换效率（0.1-0.2%)。

与目前典型的丝网印刷银栅线宽度70-80µm相比，如图3，图4所示，本发明的镀有纳米银薄膜的金属线作为太阳能电池的电极栅线，线宽可控制在25µm以内，显著减小了栅线电极的遮光面积60%以上，可使得光电转换效率提高0.5%以上。若采用镀有纳米银薄膜的金属线，可使得银材料的使用量减少为丝网印刷工艺的60%以上；若采用镀有纳米银薄膜的金属铜线或铝线，只有少量的纳米银材料的消耗，可节省95%以上银材料的用量。采用本发明的技术，总体可大幅降低太阳能电池电极栅线材料的成本,并显著提高电池的光电转换效率。

从图3可看出，采用丝网印刷的银薄膜比较宽而平，入射光垂直照射时会被银薄膜遮挡后经透明聚合物反射出封装玻璃。如图4所示，本发明的纳米银在加热或红外光源辐照后在金属线表面会形成一层致密的纳米银薄膜。因银纳米银薄膜具有最高的反射率（在400-800nm范围的平均反射率>97%），同时因金属线具有圆柱形弧度的表面，当入射光线通过封装玻璃和透明聚合物垂直照射时，弧形的银表面会将大部分入射光按不同方向反射和散射，再经玻璃内表面反射后照射到硅表面并被吸收。镀有纳米银薄膜的金属线在反射入射光时，改变了反射光的路径，总体增加了射入电池的光通量，从而进一步提高了电池的光电转换效率（0.1-0.3%）。

本发明可按传统的电极栅线分布结构制备，也可采用新型栅线结构制备。传统的电极栅线可分为细栅线和主栅线组合工艺，细栅线为丝网印刷的银线薄膜（70-80µm），主栅线为铜箔镀锡的薄片（1-2mm）。细栅线间距一般为2-3mm，通过主栅线焊接在细栅线表面，将各细栅线产生的电流收集起来，主栅线间距为30-60mm。

本发明的镀有纳米银薄膜的金属线可直接替代丝网印刷的细栅线，再采用主栅线的组合。也可以不用主栅线的结构，只采用细栅线阵列的结构，此结构的主栅线与细栅线相同，且分布均匀，可使电流分布也均匀，这样可显著提高入射电池表面的光通量，降低电极间的电阻功耗，并提高电池的光电转换效率。

本发明的镀银膜金属细线作为电极栅线，特别适合采用新型的细栅线阵列结构，可很均匀地将电池的光电流收集在一起，内阻低、效率高、贵金属材料使用极少，电池遮光面积小，可大幅提升电池的光电转换效率，同时有效降低电极贵金属材料的使用量而使得电池电极材料成本大幅降低。

本发明的镀纳米银薄膜的微细金属线作为太阳能电池的栅电极的方法，适用于单晶硅电池、多晶硅电池、非（微）晶硅异质结（HIT）电池、非（微）晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、锑化镉薄膜电池等的栅电极制备，与现有的丝网印刷银薄膜栅电极的工艺相比，可大幅减少银材料的消耗，并显著提升电池的光电转换效率。同时因采用了低温烧结工艺（<250℃），降低了电极制造的能耗，使得电池的制造成本进一步降低，为太阳能电池发电技术的普及化应用打下了基础。