一种电池片制备方法与流程

本发明涉及电池片制备，具体是一种电池片制备方法。

背景技术：

2010年后，在欧洲经历光伏产业需求放缓的背景下，我国光伏产业迅速崛起，成为全球光伏产业发展的主要动力，累计光伏装机并网容量16gw。2019年，我国新增光伏并网装机容量达到30.1gw，累计光伏并网装机量达到204.3gw，同比增长17.1％；全年光伏发电量2242.6亿千瓦时，同比增长26.3％，占我国全年总发电量的3.1％，同比提高0.5个百分点。国家能源局发布2020年一季度光伏发电并网运行情况，其中全国新增光伏发电装机395万千瓦，其中集中式光伏新增装机223万千瓦，分布式光伏新增装机172万千瓦。

大尺寸硅片是行业降本增效潮流下的必然选择。大尺寸硅片在硅片端降低单位长晶成本，在电池、组件、系统环节摊薄单瓦非硅成本，经济效益显著；隆基股份公司规划166mm单晶硅片快速扩产；中环股份公司迈入210mm单晶硅片时代。

目前世界传统工艺主要为铸锭多晶硅锭(或直拉单晶)、开方、磨面、倒角、切片等工艺流程。其中开方过程中将有30％的硅料不能进入下一步的流程。主流的硅片切片技术是采用纱线切割机，其核心是用一根0.06～0.12mm的细钢丝等间距地绕在四根主动轴上然后将硅锭缓慢靠近钢丝，靠钢丝与硅锭间的摩擦来“磨”断硅锭，实现切片。但是此法的最大缺点是锯口几乎与硅片同厚甚至大于硅片厚度，50％以上的硅料则变成了几乎不可回收的硅粉加磨料和金属屑的混合物—硅泥，仅仅用于做光伏电池片的硅料大约为30％左右。制作成太阳能电池片的成本占总成本的63％左右，因此降低电池片的成本是降低太阳能电池组件成本的主要问题。

目前传统切片工艺还存在以下诸多问题：工艺环节多，工艺耗时较长：硅片制作过程经过铸锭、去头尾、磨面、倒角和切片等繁琐工序，耗费材料成本高，生产效率较低等。另外现有的光伏电池生产技术同时存在以下问题：硅片不可能低于150um，否则制作硅片过程中破碎率将大幅度上升，电池成品率将大幅降低。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种电池片制备方法，本发明工艺环节少，耗时短，制作周期短，电池成品率增高，破碎料大幅降低，成本低。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种电池片制备方法，包括以下步骤，

制备基板：将含硅材料粉末和/或硅化合物粉末混合后预成型，在成型板上涂覆三氧化二铝形成所述基板；

在所述基板上制备硅片：向所述基板上注入液态硅，然后旋转所述基板使得所述液态硅分散开形成一层薄膜；所述薄膜向下凝固形成晶体薄硅片；将所述薄硅片退火，然后进行扩散形成pn结，将所述pn结退火形成硅片；

利用所述硅片制备电池片：在所述硅片上形成减反射膜；在所述减反射膜表面制作电极，形成电池片。

进一步地，在将含硅材料粉末和硅化合物粉末混合时，所述含硅材料粉末和所述硅化合物粉末的质量比为50:1-1:50。

进一步地，所述在成型板上涂覆三氧化二铝形成所述基板包括以下步骤：在成型板上涂覆三氧化二铝，在真空高压下压成板；烧结退火；激光开孔形成所述基板，使得所述基板上有孔。

进一步地，所述在成型板上涂覆三氧化二铝形成所述基板包括以下步骤：在成型板上涂覆三氧化二铝，利用带孔铸模压铸成板，使得所述基板上有孔；烧结退火形成所述基板。

进一步地，还包括，将所述基板精密整形。

进一步地，所述基板背面的电极自所述孔内引出。

进一步地，在所述薄膜向下凝固形成晶体薄硅片时，采用在所述薄膜上表面设置冷源的方式。

进一步地，所述减反射膜采用ito膜。

进一步地，所述方法还包括钝化。

综上所述，本发明取得了以下技术效果：

1、本发明硅料利用率提高到90％以上，以采用本项目技术生产的多晶硅与现有主流切片生产技术相比，可节约多晶硅料60％以上，省去铸锭、开方、切片等工艺，整个光伏组件的成本降低40％以上，制作电池组件面积越大，成本将越低，本产品将大幅降低光伏发电成本，拉动太阳能电池组件成本的降低，支撑我国太阳能光伏产业的健康快速发展，推动光伏发电的普及，早日实现光伏发电平价上网；

2、传统工艺中的光伏组件使用的硅片通过了铸锭、开方、磨面、倒角、切片等繁琐工序，耗费材料成本高，生产效率较低等，整个流程大约持续6～7天；本发明生产的电池片采用的基板上甩片技术，在基板上直接形成硅片，根据形成硅片厚度的不同，时间为几秒到几十秒，流程简单，成本低；

3、本发明工艺环节少，耗时短，制作周期短；

4、本发明硅片厚度为10～2000um，电池成品率增高，破碎料大幅降低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电池片制备流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

如图1所示，一种电池片制备方法，包括以下步骤：(1)制备基板，(2)在基板上制备硅片，(3)利用硅片制备电池片。

在(1)制备基板中，首先将含硅材料粉末和/或硅化合物粉末混合后预成型，在成型板上涂覆三氧化二铝形成基板。

在此过程中，有三种预成型方式，一是含硅材料粉末预成型，二是硅化合物粉末预成型，三是含硅材料粉末和硅化合物粉末混合后预成型。目前本公司常用的是第一种和第三种方式，在第一种方式中，例如采用氮化硅粉末预成型，在第三种方式中，例如采用碳化硅粉末和二氧化硅粉末混合预成型。在预成型后再涂覆三氧化二铝。

涂覆三氧化二铝之后形成一个基底材料，然后经过后续工艺形成基板。该后续工艺有两种，一是在真空高压下压成板、烧结退火、激光开孔形成基板，二是利用带孔铸模压铸成板、烧结退火形成基板。无论是哪一种工艺，基板成型后，其上均有若干排列的孔，为后续的电极引出做准备。

本实施例中给出上述两种工艺的完整步骤(以第三种预成型方式为例)：

第一种工艺是，将含硅材料粉末和硅化合物粉末混合后预成型，在成型板上涂覆三氧化二铝，在真空高压下压成板；烧结退火；激光开孔形成基板，使得基板上有孔；

第二种工艺是，将含硅材料粉末和硅化合物粉末混合后预成型，利用带孔铸模压铸成板，使得基板上有孔；烧结退火形成基板。

然后将基板进行精密整形成为合格基板。

基板由于与硅片是一体式的，因此该基板可以随意裁剪成任意形状和大小。

至此，制备出的基板为后续制作硅片做支撑和铺垫。

在(2)在基板上制备硅片中，向基板上注入液态硅，同时旋转基板使得液态硅分散开形成一层薄膜；薄膜向下凝固形成晶体薄硅片；将薄硅片退火，然后进行扩散形成pn结，将pn结退火形成硅片。

在此过程中，需要向基板上注入液态硅，本实施例中给出其中一种注入液态硅的方式：将固态硅放置在一个容器中，保持该容器内的固态硅恒温，再让固态硅快速升温到硅料熔点以上，此时固态硅变为液态硅料，然后该容器利用管道以及在氩气的辅助作用下将液态硅料推到基板上。当然，这只是其中一种液态硅的注入方式，在实际使用时还可以采用其他的方式，注意控制硅的熔点温度，以及硅的氩气氛围。

向基板上注入液态硅之后，旋转基板形成薄膜，该过程中本实施例也给出其中一种方式：在氩气氛围内，利用伺服驱动等方式旋转基板，控制基板的旋转速度和旋转时间，让液态硅在一定速度和时间下分散开。例如，控制基板速度和时间时，本实施例中采用速度由慢到快进行变速运动，且在1～10秒之内达到设定转速，转速范围：300～5000rpm。当然，这只是其中一种旋转的方式以及其中一个转速的范围，在实际使用时还可以采用其他的方式，使得液态硅分散开即可。

在旋转分散形成薄膜之后，还需要凝固形成晶体薄硅片，本实施例中也给出其中一种凝固的方式：采用在薄膜上表面设置冷源的方式。其中，冷源为低于1000℃的固体或者惰性气体。薄膜自表面向下凝固，使融化的硅料在基板材料上形成p型或者n型的一层晶体薄硅片。形成的硅片厚度均匀性一致，为多晶或单晶薄硅片。

在形成p型或者n型晶体薄硅片后，将该晶体薄硅片进行退火处理。

当所述基板上的薄硅片为p型，进行以磷为扩散源的扩散以形成pn结；当所述基板上的薄硅片为n型，进行以硼为扩散源的扩散以形成pn结。

将已经形成pn结的基板薄硅片进行退火处理，形成硅片。

在形成的硅片中，硅片是直接生长在基板上的，以该基板为支撑，无需另外的背板支撑。

硅片与基板为一体式，硅片为单晶硅片或者多晶硅片，厚度为10～2000um。

至此，在基板上制备出的硅片为后续制作电池片做铺垫。

在(3)利用硅片制备电池片中，在硅片上形成减反射膜，在减反射膜表面制作电极，形成电池片。

在此过程中，本实施例中硅片在表面形成一层减反射膜，减反射膜采用ito膜，表面ito膜的主要参数:低电阻、电阻均匀性、高透光率、热稳定性等。它的作用是增加太阳能电池光的吸收，减少反射，减少串联电阻，提高短路电流(isc)。在制作电极时，基板背面电极经基板自孔引出，材料为ag、al或cu，配备最佳光伏发电条件。最后经过钝化、检测分类和封装等流程，完成电池片以及电池片串联后光伏组件的制作。

本实施例中，给出两个完整电池片的制作工艺，其中，在这两个制作工艺中，采用第三种含硅材料粉末和硅化合物粉末混合预成型的方式，该含硅材料粉末以碳化硅粉末为例，该硅化合物粉末以二氧化硅粉末为例，含硅材料粉末和硅化合物粉末的质量比为50:1-1:50。

实施例一：

本实施事例基板采用碳化硅粉末和二氧化硅粉末的混合物，碳化硅使用的是颗粒度400目，二氧化硅的颗粒度是350目，它们的比例是5:1，混合后用水做粘合剂增加粘度便于粗成型在真空环境下压铸成型。涂层三氧化二铝的厚度是5um，采用真空粉末冶金工艺，根据材料比例压力控制为8000kg/cm²，压模温度为1200℃，然后进行烧结成型，烧结温度为1600℃，烧结时间是40min。烧结时间完成后，根据温度曲线逐步降温，以便去除成型后基板的应力。

基板制作的厚度为10mm。经精密机械对基板实施整形，为四边形且边长为210*210mm。将目视合格的基板放置在存放基板腔体内，存放数量为1000片，腔体内氩气压力为50kpa，温度为500℃。通过plc控制的自动化程序，在恒温恒压的基板经缓冲通道由机械手和自动运输机构将基板放置到达检测基板腔体。

根据检测基板标准，基板检测腔体的合格基板进入制作硅片腔体，基板经机械手放置到甩片机构平台的位置上，并固定在平台上；制作硅片的腔体环境温度为1380℃，氩气压强为60kpa。5.2g定量的n型固态硅料进入加料系统中，激光加热将硅料上升温度到1400℃，激光加热瞬间加热硅料到1480℃，固态硅变成液态硅，脉冲氩气将液态硅推至甩片机构平台上的基板上。精确控制甩片速度，甩片机构带动平台上的基板进行转动甩片，在3秒内达到转速3200rpm。在基板材料上形成n型的晶体薄硅片厚度约49um，晶体为多晶。甩片机构可以采用伺服电机等旋转驱动或其他能驱动基板旋转的装置。

n型硅片进入和制作硅片环境一样的硅片退火腔体，氩气压强60kpa，温度为1380℃，当退火支架的硅片数量达到1000片时进行退火，退火曲线最低温度为850℃，退火时间为30min。然后进入硅片pn结腔体，n型硅片在扩散炉管中进行硼源扩散，扩散深度为4微米，形成pn结。硅片进入缓冲腔体后进行硅片再次退火，氮气气体流量为10l/min，降温速率约为9℃/min。最后制作电池片：涂覆减反射膜，在减反射膜表面制作电极，采用传统的电极和主栅分布形成电池片。

实施例二：

本实施事例基板采用碳化硅和二氧化硅的混合物，碳化硅使用的是颗粒度380目，二氧化硅的颗粒度是380目，它们的比例是6:1，混合后用水做粘合剂增加粘度便于粗成型在真空环境下压铸成型。涂层三氧化二铝的厚度是6um，采用真空粉末冶金工艺，根据材料比例压力控制为10000kg/cm²，压模温度为1250℃，然后进行烧结成型，烧结温度为1600℃，烧结时间是60min。烧结时间完成后，根据温度曲线逐步降温，以便去除成型后基板的应力。

基板制作的厚度为12mm。经精密机械对基板实施整形，为正六边形且边长为180mm。将目视合格的基板放置在存放基板腔体内，存放数量为1000片，腔体内氩气压力为60kpa，温度为600℃。通过plc控制的自动化程序，从基板存放腔体运输到检测基板腔体。

根据检测基板标准，基板检测腔体的合格基板进入制作硅片腔体，基板经机械手放置甩片机构平台的指定位置上，并固定在平台上；制作硅片的腔体环境温度为1400℃，氩气压强为60kpa。10g定量的n型固态硅料进入加料系统中，激光加热将硅料温度上升到1400℃，激光加热瞬间加热硅料到1500℃，固态硅变成液态硅，脉冲氩气将液态硅推至甩片机构平台上的基板上。精确控制甩片速度，甩片机构带动平台上的基板进行转动甩片，在3秒内达到转速3500rpm。在基板材料上形成n型的晶体薄硅片厚度约47um，其晶体为单晶。甩片机构可以采用伺服电机等旋转驱动或其他能驱动基板旋转的装置。

n型硅片进入和制作硅片环境一样的硅片退火腔体，氩气压强60kpa，温度为1400℃，当退火支架的硅片数量达到1000片时进行退火，退火曲线最低温度为800℃，退火时间为35min。然后进入硅片pn结腔体，n型硅片在扩散炉管中进行硼源扩散，扩散深度为5微米，形成pn结。硅片进入缓冲腔体后进行硅片再次退火，氮气气体流量为8l/min，降温速率约为8℃/min。最后制作电池片：涂覆减反射膜，在减反射膜表面制作电极，采用应环状电极，主栅采用追天线分布，形成电池片。

在上述两个实施例的电池片工艺之后，再进行非等厚度菲涅尔透镜封装组件，形成光伏组件。

在基板上制备硅片，硅片再经过pn结形成、表面丝线电极形成、表面增透薄膜兼保护层溅射、外接电极形成、老化稳定等工艺，最终完成基板电池组件工艺。经过严苛的质检分类后即可进入市场。

本发明通过定量硅料进行甩片，形成多晶或者单晶极薄柱状高迁移率薄层硅片，它是利用液态硅所具有的良好流动性和渗透性特点，可以形成几微米甚至几千微米的薄层p型或者n型晶体半导体，形成的半导体无切缝硅片。薄硅片更加适合于高效光伏发电。经过p型或n型扩散，在硅片表面形成pn结；然后经过防反射、表面电极及其钝化等技术制作电池片；最后对组件进行检测分类和特殊封装。本项目全过程物理化，省去了化学流程，大幅减少了工业垃圾排放，理论上完全环保。

本发明提供的可用于普通光伏发电用途的电池，尤其适宜面向可高速移动用途的使用环境苛刻或极端自然环境下的大功率长寿命低成本的孤立用电目的的光伏电池生产技术。本工艺省去了传统太阳能电池组件的多晶硅铸锭(或者：拉单晶硅棒)、多晶硅硅锭开方(或者：单晶硅棒去四个弧边)、去除多晶硅锭的顶部和底部(或者：切掉单晶硅棒的头尾部分)、线切割硅片、制作光伏电池工艺、组件组装工艺等多个高成本工艺环节，大幅缩短了总工艺时长，当然也显著地降低了光伏电池的制作成本。由于省去了铸锭、开方、去头尾、倒角和切片等产生废弃边角硅料的工艺环节，可大幅提高硅料的使用率，直接降低光伏电池的制作成本。

如下表中与传统制作工艺相比较，理论上没有硅材料的浪费，节约能源；在真空或者氩气环境中形成制作生产，无污染；工艺简单，所用时间短；由于可以容易地实现一次数片地制作，大幅度降低制造太阳能电池成本，大幅度提高生产率。此工艺易于规模化生产，便于大规模生产，对太阳能电池研究与发展具有很大的促进作用，将实现光伏发电平价上网。

表1本发明工艺与传统工艺比较表

除此之外，还可以配合5g定位系统的自动太阳倾角定位、组件除雪清洗除尘系统设计。

本发明铸锭光伏组件，配置自动化程序控制电路，结合5g网络定位系统，根据网络天气预报不同，进行不同的操作系统：晴天时，跟踪太阳运动轨迹，变化光伏组件的倾斜角，让阳光垂直于电池板，充分利用阳光，提高转换效率；冬天下雨雪天气，警报下雨雪后及时清除电池板表面的雨雪，注意防范电池板结冰，损坏组件；风尘暴天气，风尘暴过后及时清除灰尘，否则影响阳光透过菲涅尔透镜，降低光电转换效率。铸锭光伏组件既可以并到国家供电网，又可以用蓄电池接到光伏组件留有的联动接口。

传统工艺中的光伏组件使用的硅片最薄为150微米，传统工艺切片技术的瓶颈，如果切硅片低于150微米，将大大提高硅片生产和电池片生产中的破碎率，大幅增加制作成本；本技术可根据市场需求，可形成厚度为几微米到几千微米的硅片，如光伏组件最佳厚度50微米的硅片，且均匀性和一致性较好。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。