本發(fā)明屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種電噴印太陽(yáng)能光伏電池電極的方法。
背景技術(shù):
太陽(yáng)能光伏電池(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光伏電池)能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能,其原理是光生伏特效應(yīng)。目前,硅太陽(yáng)能電池發(fā)展最成熟,且在電池應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。
硅太陽(yáng)能電池主要由上電極、下電極、n型半導(dǎo)體、p型半導(dǎo)體以及p-n結(jié)等組成,其中上下電極直接與負(fù)載連接并向負(fù)載輸出電壓,是影響光伏電池串聯(lián)電阻和光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。光伏電池普遍采用銀作為電極材料,銀電極也是影響光伏電池成本的重要部分。光伏電池電極的寬度、高度、高寬比以及電極在電池板的面積對(duì)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率具有重要影響。光伏電池有兩條主柵和多條細(xì)柵,平行排列在鍍有減反射膜的N型半導(dǎo)體上。為減小遮光效應(yīng)和獲得較小線(xiàn)阻,要求線(xiàn)寬小、線(xiàn)高大,附著力和電導(dǎo)性能優(yōu)良。
目前普遍采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備光伏電池電極,該技術(shù)單次印刷燒結(jié)后制備的銀電極寬度在50μm以上,高度在12-20μm,絲網(wǎng)印刷制備的柵線(xiàn)高寬比僅為0.4。受到網(wǎng)板結(jié)構(gòu)和漿料性質(zhì)的限制,難以進(jìn)一步降低電極結(jié)構(gòu)的寬度,因此難以降低電極在電池板上的面積,導(dǎo)致難以減小陰影損失。盡管通過(guò)二次印刷可以提高電極結(jié)構(gòu)高度,但是二次印刷存在電極線(xiàn)寬精度難控制、工藝過(guò)程復(fù)雜等難題,這限制了光伏電池開(kāi)路電壓、短路電流、平面利用率、光電轉(zhuǎn)換效率等性能的進(jìn)一步提高。此外,由于絲網(wǎng)印刷屬于接觸制造方法,它直接把壓力施加在易碎的半導(dǎo)體晶片上,容易造成晶片裂紋、斷裂等損傷。并且絲網(wǎng)印刷的電極漿料利用率受限,需要經(jīng)常更換絲網(wǎng),這些增加了光伏電池的制造成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服上述技術(shù)的不足,發(fā)明一種電噴印太陽(yáng)能光伏電池電極的方法。利用導(dǎo)電墨水在電場(chǎng)力作用下形成的微米級(jí)精細(xì)射流,并同時(shí)利用熱場(chǎng)處理電噴印中的導(dǎo)電射流和電噴印成型的導(dǎo)電墨水,免除模板工藝過(guò)程,在光伏電池半導(dǎo)體片上直接打印成型光伏電池電極。
為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種電噴印太陽(yáng)能光伏電池電極的方法,首先對(duì)導(dǎo)電墨水施加流體壓力,使之以一定的流速流出噴頭噴孔;然后對(duì)導(dǎo)電墨水施加一定電場(chǎng),使之形成遠(yuǎn)小于噴孔內(nèi)徑精細(xì)射流;同時(shí)對(duì)射流進(jìn)行加熱,使導(dǎo)電墨水部分溶劑蒸發(fā);最后在加熱的光伏電池半導(dǎo)體片上噴印電極結(jié)構(gòu),使導(dǎo)電墨水迅速固化,形成光伏電池電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于太陽(yáng)能光伏電池電極的電噴印裝置實(shí)現(xiàn),所述的電噴印裝置主要包括流體噴印模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、顯微視覺(jué)模塊和控制模塊四部分。
所述的流體噴印模塊包括注射泵3、注射器4、導(dǎo)電墨水5、噴頭6、噴頭夾具7、電壓控制器8和加熱裝置;所述的注射器4固定于注射泵3上方,注射器4內(nèi)裝有導(dǎo)電墨水5,注射器4通過(guò)導(dǎo)管與噴頭6上端進(jìn)口連接;所述的噴頭6由導(dǎo)電材料制造,頭部加工有內(nèi)徑200微米以下的噴孔13,并由噴頭夾具7定位夾緊;所述的噴頭夾具7前端導(dǎo)電并夾緊噴頭6,后端絕緣并固定在可以縱向移動(dòng)的Z位移軸上,實(shí)現(xiàn)噴印高度的調(diào)節(jié),噴頭夾具7前端導(dǎo)電并夾緊噴頭6。所述的電壓控制器8的電源線(xiàn)連接220V交流電源,電壓輸出范圍為0-5kV,其輸出端連接在噴頭夾具7導(dǎo)電部分的右端。所述的加熱裝置可以采用多種加熱方式,其中包含使用紅外加熱燈9加熱和使用具有加熱功能的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12加熱等加熱方式。使用紅外加熱燈9加熱時(shí),紅外加熱燈9連接0-30V直流電源,由0-30V直流電源供電,其發(fā)熱功率范圍為0-300W,燈身放置在光伏電池半導(dǎo)體片15右上方,使燈光照射整個(gè)光伏電池半導(dǎo)體片15表面區(qū)域并加熱光伏電池半導(dǎo)體片15。使用具有加熱功能的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12加熱時(shí),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12內(nèi)部鑄有電熱管,通過(guò)外接的數(shù)字溫控器實(shí)時(shí)監(jiān)控其溫度,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12的溫度調(diào)節(jié)范圍為20-400℃。
所述的運(yùn)動(dòng)模塊包括真空吸附裝置10、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12、光伏電池半導(dǎo)體片15;所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面運(yùn)動(dòng),其電源線(xiàn)連接220V交流電源,USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接上位機(jī)1,通過(guò)上位機(jī)1控制其運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度。所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12是平面度1微米以下的金屬厚板,通過(guò)絕緣螺釘與絕緣墊圈固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11上方,跟隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11一起運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12內(nèi)加工氣道,氣道下方與真空吸附裝置10連接,氣道上方放置光伏電池半導(dǎo)體片15,真空吸附裝置10吸附固定光伏電池半導(dǎo)體片15,使其跟隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11一起運(yùn)動(dòng)。
所述的顯微視覺(jué)模塊包括相機(jī)2及其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件。所述的相機(jī)2與打印區(qū)域?qū)?zhǔn),由USB數(shù)據(jù)線(xiàn)將其觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)1,并通過(guò)上位機(jī)1上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印過(guò)程。
所述的控制模塊為上位機(jī)1。所述的上位機(jī)1控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度,控制噴孔13的打印高度,并監(jiān)測(cè)相機(jī)2視野范圍內(nèi)的打印過(guò)程。
采用上述裝置進(jìn)行電噴印太陽(yáng)能光伏電池電極的方法,包括以下步驟:
1)電場(chǎng)-熱場(chǎng)條件下的射流形成
在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12上放置光伏電池半導(dǎo)體片15,開(kāi)啟真空吸附裝置10將光伏電池半導(dǎo)體片15固定。通過(guò)注射泵3將導(dǎo)電墨水5注入噴頭6中,并調(diào)節(jié)導(dǎo)電墨水5的流量,調(diào)節(jié)范圍為0.01-5μL/min。調(diào)節(jié)噴孔13與光伏電池半導(dǎo)體片15的間距,調(diào)節(jié)范圍為1-3mm。開(kāi)啟電壓控制器,在噴孔13和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12間施加電場(chǎng),調(diào)節(jié)電壓控制器輸出電壓,調(diào)節(jié)范圍為1000-3000V。上述三項(xiàng)參數(shù)互相協(xié)調(diào),最終使噴孔13處的導(dǎo)電墨水5形成遠(yuǎn)小于噴孔13尺寸的穩(wěn)定射流14。
2)光伏電池電極結(jié)構(gòu)的噴印制造
根據(jù)光伏電池電極16的形狀,編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序,由上位機(jī)1控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度,由注射泵3調(diào)節(jié)噴孔13處導(dǎo)電墨水5的流量,打印出光伏電池電極16的圖案。所述的圖案的線(xiàn)寬和厚度受運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的速度和導(dǎo)電墨水5的流量影響,速度范圍0.1-30mm/s,流量范圍0.01-5μL/min的情況下,所述的圖案寬度為10-150μm,厚度為5-70μm。所述的圖案的打印過(guò)程應(yīng)通過(guò)相機(jī)2和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè),以保證射流14的穩(wěn)定性。
3)光伏電池電極結(jié)構(gòu)的固化成型
使用紅外加熱燈9加熱時(shí),光伏電池電極16的圖案在打印的同時(shí),射流14下方正在打印的區(qū)域處在紅外加熱燈9的照射加熱范圍內(nèi),調(diào)節(jié)紅外加熱燈9功率,調(diào)節(jié)范圍為100-300W,保證射流在光伏電池半導(dǎo)體片15上形成的結(jié)構(gòu)迅速固化成型,得到太陽(yáng)能光伏電池電極16。所述的光伏電池電極線(xiàn)寬為30-60μm,高度為30-60μm,高寬比約為1。
使用具有加熱功能的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12加熱時(shí),光伏電池電極16的圖案在打印的同時(shí),光伏電池半導(dǎo)體片15與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12的溫度大致相同,調(diào)節(jié)數(shù)字溫控器設(shè)定的溫度,調(diào)節(jié)范圍為20-400℃,保證射流在光伏電池半導(dǎo)體片15上形成的結(jié)構(gòu)迅速固化成型,得到太陽(yáng)能光伏電池電極16。
本發(fā)明的有益效果為:采用電噴印方法制造的光伏電池電極結(jié)構(gòu),具有打印線(xiàn)寬小、高度大、高寬比大、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)。利用電場(chǎng)和熱場(chǎng)條件下的電噴印工藝打印出的光伏電池電極線(xiàn)寬為微米級(jí),線(xiàn)寬可為幾十微米到上百微米,高度可達(dá)幾十微米,高寬比可達(dá)1以上。本發(fā)明提出了一種新型光伏電池電極的制造方法,優(yōu)化了光伏電池電極結(jié)構(gòu),提高了電極材料的利用率,提高了光伏電池板的平面利用率,并將有利于提升光伏電池電極的電學(xué)性能,有利于提高光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率,降低光伏電池制造成本。
附圖說(shuō)明
圖1為光伏電池電極電噴印裝置簡(jiǎn)圖;
圖2為光伏電池電極電噴印工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖;
圖中:1上位機(jī),2相機(jī),3注射泵,4注射器,5導(dǎo)電墨水,6噴頭,7噴頭夾具,8電壓控制器,9紅外加熱燈,10真空吸附裝置,11運(yùn)動(dòng)平臺(tái),12運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板,13噴孔,14射流,15光伏電池半導(dǎo)體片,16光伏電池電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。實(shí)施例的噴印設(shè)備主要由流體噴印模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、顯微視覺(jué)模塊和控制模塊四部分組成。
所述的注射器4固定于注射泵3上方,注射器4內(nèi)裝有導(dǎo)電墨水5,注射器4通過(guò)導(dǎo)管與噴頭6上端進(jìn)口連接。噴頭6由導(dǎo)電材料制造,頭部加工有內(nèi)徑100微米的噴孔13,并由噴頭夾具7定位夾緊。噴頭夾具7后端絕緣并固定在可以縱向移動(dòng)的Z位移軸上;前端導(dǎo)電并夾緊噴頭6。電壓控制器8的輸出端連接在噴頭夾具7的右端。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11實(shí)現(xiàn)二維平面運(yùn)動(dòng),上位機(jī)1控制其運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12是平面度0.5微米的金屬厚板,通過(guò)絕緣螺釘與絕緣墊圈固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11上方,跟隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11一起運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12內(nèi)加工氣道,氣道下方與真空吸附裝置10連接,氣道上方放置光伏電池半導(dǎo)體片15,由此可以用真空吸附裝置10吸附固定光伏電池半導(dǎo)體片15,使其跟隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11一起運(yùn)動(dòng)。所述的相機(jī)2對(duì)準(zhǔn)正在打印的區(qū)域,由USB數(shù)據(jù)線(xiàn)將其觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)1,由此可以通過(guò)上位機(jī)1上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印過(guò)程。所述的上位機(jī)1控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度,控制噴孔13的打印高度,并監(jiān)測(cè)相機(jī)2視野范圍內(nèi)的打印過(guò)程。
實(shí)施例的具體實(shí)施步驟如下:
1)電場(chǎng)-熱場(chǎng)條件下的射流形成
在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12上放置氮化硅多晶鍍膜硅片15,開(kāi)啟真空吸附裝置10將氮化硅多晶鍍膜硅片15固定。選用納米銀導(dǎo)電墨水為導(dǎo)電墨水5,其表面張力為30mN/m,粘度為3cP。通過(guò)注射泵3將導(dǎo)電墨水5注入噴頭6中,設(shè)定導(dǎo)電墨水5流量為1.5μl/min。調(diào)節(jié)噴孔13與氮化硅多晶鍍膜硅片15的間距為2mm,調(diào)節(jié)電壓控制器8輸出交流脈沖電壓,頻率50Hz,高壓為2000V,利用相機(jī)2觀測(cè)射流狀態(tài),最終使噴孔13處的導(dǎo)電墨水5形成遠(yuǎn)小于噴孔13尺寸的穩(wěn)定射流14。
2)光伏電池電極結(jié)構(gòu)的噴印制造
根據(jù)光伏電池電極16的形狀,編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序,由上位機(jī)1控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度,在上位機(jī)1上設(shè)定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)速度為10mm/s。啟動(dòng)程序,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11隨即按照程序運(yùn)動(dòng),在氮化硅多晶鍍膜硅片15上打印光伏電池電極16的圖案,所述的圖案的打印過(guò)程通過(guò)相機(jī)2和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè),保證射流14的穩(wěn)定性。
3)光伏電池電極結(jié)構(gòu)的固化成型
使用紅外加熱燈9加熱時(shí),光伏電池電極16的圖案在打印的同時(shí),射流14下方正在打印的區(qū)域處在紅外加熱燈9的照射加熱范圍內(nèi),調(diào)節(jié)紅外加熱燈9功率為230W,使射流在氮化硅多晶鍍膜硅片15上噴印的結(jié)構(gòu)迅速固化成型,得到光伏電池電極16。最終得到的光伏電池電極線(xiàn)寬為30-60μm,高度為30-60μm,高寬比約為1。
使用具有加熱功能的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12加熱時(shí),光伏電池電極16的圖案在打印的同時(shí),光伏電池半導(dǎo)體片15與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基板12的溫度大致相同,調(diào)節(jié)數(shù)字溫控器設(shè)定的溫度,調(diào)節(jié)范圍為20-400℃,保證射流在光伏電池半導(dǎo)體片15上形成的結(jié)構(gòu)迅速固化成型,得到太陽(yáng)能光伏電池電極16。
本發(fā)明提出太陽(yáng)能光伏電池電極的電噴印制造方法。利用導(dǎo)電墨水5在電流體動(dòng)力效應(yīng)作用下在噴孔13處形成微米級(jí)穩(wěn)定射流14,將導(dǎo)電墨水5噴印在光伏電池半導(dǎo)體片15上,并通過(guò)紅外加熱燈9加熱在光伏電池半導(dǎo)體片15上的電極結(jié)構(gòu),使電極結(jié)構(gòu)迅速固化,形成微米級(jí)太陽(yáng)能光伏電池電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)化了太陽(yáng)能光伏電池電極結(jié)構(gòu),提高了電極材料的利用率,提高了太陽(yáng)能光伏電池板的平面利用率,并將有利于提升太陽(yáng)能光伏電池電極的電學(xué)性能,并可降低太陽(yáng)能光伏電池制造成本。