产业化精细丝网印刷技术在太阳电池中的应用研究

第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会（ （ CPVC14） 论文集56产业化精细丝网印刷技术在 太阳电池中的应用研究黄钧林，周 肃，勾宪芳，范维涛，苏杨杨，张 鑫，程 晶（中节能太阳能科技（镇江）有限公司，江苏 212132）摘 要 采用产业化的多晶硅太阳电池生产设备与工艺， 重点研究了精细丝网印刷技术中网版参数对正电极形貌、 印刷性能以及太阳电池电性能的影响， 并对精细印刷的发展方向进行了探讨。结果表明随着开口宽度的下降，所印细栅的宽度逐渐降低，提升了短路电流和效率； 当开口宽度下降到一定程度后， 栅线宽度均匀性逐渐下降， 导致效率明显降低。随着乳胶厚度的下降，栅线高度逐渐降低，导致效率下降，同时还会造成正电极焊接拉力逐渐下降。关键词关键词 精细丝网印刷；太阳电池；开口宽度；乳胶厚度；栅线形貌1 引言晶体硅太阳电池的应用和发展中，降低电池片的生产成本和提高电池片的转换效率成为了行业发展考虑的重要因素。目前晶体硅太阳电池前表面金属化普遍采用丝网印刷银浆的方式 [1-3]， 随着太阳电池技术的不断发展，对正电极的要求越来越高。一方面要求正电极宽度越来越细，减少太阳电池光学损失，另一方面要求银浆用量越来越少， 降低制造成本 [2-4]。 近年来，精细丝网印刷技术由于其在这两个方面的优势备受重视 [5]，特别是在光诱导电镀加厚技术 [6, 7]和两次印刷技术上 [8-10]。 精细丝网印刷技术的效果主要取决于网版参数与浆料特性，本文采用产业化的多晶硅太阳电池生产设备与工艺，重点研究精细丝网印刷技术中网版参数对正电极形貌、印刷性能以及太阳电池电性能的影响，并对精细印刷的发展方向进行探讨。2 实验步骤本文采用电阻率 1～ 3 cm，厚度为200μ m 的 156 156mm2 太阳能级多晶硅片，采用产业化的多晶硅太阳电池生产设备，通过如下工艺制备太阳电池片酸制绒、高温磷扩散、去 PSG 及边缘绝缘、PECVD 镀减反射膜工艺、印刷背电极和背电场，再分别采用不同细栅线开口宽度和不同乳胶厚度的正电极网版进行印刷后烧结，制成成品电池。使用分析天平称量印刷在电池片上的银浆重量，使用 3D显微镜测试栅线形貌及细栅线宽度和高度，使用电致发光测试仪获得电池 EL 图片。电池片电性能由 HALM 测试仪测出，测试条件为 25℃ ,1000W/m2。正电极拉力为电池片经过焊接焊带后由拉力测试仪测出，测试条件为反向 180o 剥离。第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会（ （ CPVC14） 论文集573 结果与讨论3.1 不同网版开口宽度对印刷性能的影响图 1 所示为正电极栅线印刷湿重随网版开口宽度变化关系曲线。随着网版开口宽度从 40μ m 降低到 20μ m，印刷湿重从105mg 下降到 55mg。当网版开口宽度降低时，正电极印刷过墨容积减小，在同样的印刷参数下，浆料的透过量亦随之减少导致印刷湿重下降。图 1 印刷湿重随网版开口宽度变化关系图 2 所示为是细栅线高度和宽度随网版开口宽度变化关系。图 2 细栅线高度和宽度随网版开口宽度的变化由图 2 可以看出，随着网版开口宽度的下降，栅线宽度明显降低，开口宽度从40μ m 下降到 20μ m。 ，栅线宽度从 67.3μ m增加到 47.3μ m， 同时， 栅线高度少许下降，从 11.6μ m 下降到 10.6μ m。图 3 所示为不同开口宽度下所印细栅线外观形貌，从图中可以看出当开口宽度小于一定程度时，栅线宽度均匀性迅速下降，主要原因为当开口宽度与丝网纱厚接近时，网纱节点宽度占据开口比例较大，阻碍了印刷过程中浆料的透过，造成该处栅线宽度和高度明显偏低，如图 3c 所示。a. 36μ m b. 30μ m c. 25μ m 图 3 不同网版开口宽度下所印细栅线外观形貌3.2 不同网版开口宽度不同网版开口宽度对电池电性能的影 对电池电性能的影响表 1 为网版开口宽度对电池电性能参数的影响，图 4 所示为不同网版开口宽度下所印太阳电池的 EL 图片。网版开口宽度从 40μ m 降低到 33μ m 时，短路电流从8.685A 增加到 8.778A， 填充因子从 79.15降低到 78.83，电池效率从 17.84增加到 17.93。 主要原因为栅线宽度下降增加了电池的受光面积，但同时由于栅线横截第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会（ （ CPVC14） 论文集58面积下降，导致栅线电阻上升，填充因子下降。短路电流提升带来增益超过填充因子下降带来的影响，导致电池效率提升。表 1 太阳电池电性能参数随网版开口宽度变化关系网版开口/μ m V oc/v Isc/A FF/ Eta/ 40 0.632 8.685 79.15 17.84 36 0.629 8.757 78.91 17.87 33 0.631 8.778 78.83 17.93 30 0.631 8.788 78.7 17.94 25 0.626 8.639 63.33 14.08 20 0.619 7.222 54.15 10.09 a. 36μ m b. 30μ m c. 25μ m 图 4 不同网版开口宽度下所印电池 EL 图当 网 版 开 口 宽 度 从 33μ m 降 低 到30μ m 时，电池效率基本不变，表明该情况下短路电流提升的增益与串联电阻造成的损失相当。当网口开口宽度进一步下降时，电池各项参数均出现明显下降，结合图 3 和图 4 看出，此时栅线均匀性明显下降，局部区域栅线高度和宽度明显降低，造成该处栅线电阻明显增加，当电池串联电阻增加到一定程度后，光生载流子的收集和输运受到严重影响，在 EL 图上表现为大面积亮度降低，如图 4c 所示，引起电池效率明显下降。3.3 不同乳胶厚度对印刷性能的影响图 5 所示为正电极栅线印刷湿重随乳胶厚度变化关系曲线，由图中可知，随着乳胶厚度从 15μ m 降低到 9μ m 时， 印刷湿重从 103mg 降低到 95mg。当网版乳胶厚度降低时，正电极印刷过墨容积减小，在同样的印刷参数下，浆料的透过量亦随之降低导致印刷湿重下降。图 5 印刷湿重随乳胶厚度变化关系图 6 所示为细栅线高度和宽度随乳胶厚度变化关系，由图中可以看出，随之乳胶厚度从 15μ m 降低到 9μ m 时， 栅线高度从 13.3μ m 降低至 9.1μ m， 栅线宽度变化较小。因此，乳胶厚度降低会导致栅线高宽比下降，也会造成栅线横截面积减少，影响栅线电阻。第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会（ （ CPVC14） 论文集59图 6 细栅线高度和宽度随乳胶厚度变化关系3.4 不同乳胶厚度对电池电不同乳胶厚度对电池电性能的影响 性能的影响表 2 所示为网版乳胶厚度变化对电池电性能的影响，由表 2 可以看出，网版乳胶厚度从 15μ m 降低至 9μ m 时， 填充因子 从 79.16降 低 至 78.49， 效 率 从17.92降低至 17.51。 主要原因是由于乳胶厚度的降低导致栅线高宽比下降，因而提高了栅线电阻，导致填充因子下降。表 2 电池电性能参数随网版乳胶厚度变化关系乳胶厚度 μ m V oc/v Isc/A FF/ Eta/ 15 0.633 8.707 79.16 17.92 12 0.63 8.714 78.79 17.78 9 0.624 8.687 78.49 17.51 3.5 不同乳胶厚度对正电极焊接拉力的影响图 7 所示为主栅焊接拉力随乳胶厚度变化曲线，由图中可知，当乳胶厚度从15μ m 降低至 9μ m 时，电池主栅焊接拉力从 3.8N 显著降低至 2.4N，表明主栅焊接拉力与网版乳胶厚度之间存在直接关系。从图 5 和图 6 中可以得知， 乳胶厚度下降，印刷湿重下降，栅线高度随之降低，造成单位面积上所印浆料中用于形成焊接拉力的玻璃料含量降低，最终造成焊接拉力下降。图 7 正电极焊接拉力随乳胶厚度变化关系4 结论本文研究了产业化精细丝网印刷技术中不同细栅线开口宽度和不同乳胶厚度对太阳电池正电极的印刷性能以及电性能的影响，实验结果表明随着网版开口宽度的下降，所印细栅的宽度逐渐降低，提升了短路电流和效率；当开口宽度下降到一定程度后，栅线宽度均匀性逐渐下降， 引起串联电阻增加， 填充因子下降，导致效率明显降低。随着乳胶厚度的下降，栅线高度逐渐降低，导致串联电阻增加，效率下降，同时还会造成正电极焊接拉力逐渐下降。从上述结果可以看出，对于电池细栅线而言，保证均匀性的情况下尽量降低开口宽度，增加乳胶厚度，才能获得遮光面积少且串阻低的电池，但增加乳胶厚度不可避免的带来印刷湿重的增加，导致成本增加。通过分步印刷的方式把电池的主栅线和细栅线分开印刷则可以解决这一矛盾，印刷细栅线时采用低开口宽度和高乳胶厚度提升电池电性能，印刷主栅线时采用低乳胶厚度降低成本，是未来精细印刷的重要发展方向。第 14 届中国光伏大会届中国光伏大会（ （ CPVC14） 论文集60参考文献[1] Erath, D., et al., Advanced screen printing technique for high definition front side metallization of crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010. 941 57-61. [2] Szlufcik, J., et al., High-efficiency low-cost integral screen-printing multi-crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002. 741 – 4. 155-163. [3] Shanmugam, V., et al., Optimization of Screen-Printed Metallization for Industrial High-Efficiency Silicon Wafer Solar Cells. Energy Procedia, 2013. 33 64-69. [4] Hannebauer, H., et al., Fineline Printing Options for High Efficiencies and Low Ag Paste Consumption. Energy Procedia, 2013. 38 725-731. [5] Bottosso, C., et al., Reliable Metallization Process for Ultra Fine Line Printing. Energy Procedia, 2013. 43 80-85. [6] Olweya, S., et al., Fine-line Silver Pastes for Seed Layer Screen Printing with Varied Glass Content. Energy Procedia, 2013. 43 37-43. [7] Pysch, D., et al. Detailed Analysis of Fine Line Printed and Plated Solar Cell Contacts. in 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 2007. Milano. [8] Hannebauer, H., et al., Record Low Ag Paste Consumption of 67.7 mg with Dual Print. Energy Procedia, 2013. 43 66-71. [9] Park, C., et al., Front-side metal electrode optimization using fine line double screen printing and nickel plating for large area crystalline silicon solar cells. Materials Research Bulletin, 2012. 4710 3027-3031. [10 ]Tonini, D., et al., Efficiency gain in c-Si cells through selective emitter and double printing. Energy Procedia, 2011. 8 598-606. 邮 箱 zhousucecsec.cn产业化精细丝网印刷技术在太阳电池中的应用研究作者 黄钧林 ， 周肃 ， 勾宪芳 ， 范维涛 ， 苏杨杨 ， 张鑫 ， 程晶作者单位 中节能太阳能科技 镇江 有限公司 ,江苏 212132引用本文格式 黄钧林 . 周肃 . 勾宪芳 . 范维涛 . 苏杨杨 . 张鑫 . 程晶 产业化精细丝网印刷技术在太阳电池中的应用研究 [会议论文 ] 2014