33-晶体硅太阳能电池正面电极二次印刷的研究

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）晶体硅太阳能电池正面电极二次印刷的研究晶体硅太阳能电池正面电极二次印刷的研究 葛剑葛剑、 、 王寅王寅、 、 周杰周杰、 、 黄海涛黄海涛、 、 吴而义吴而义、 、 陈如龙陈如龙、 、 杨健杨健、 、 张光春张光春、 、 施正荣施正荣 无锡尚德太阳能电力有限公司，江苏 无锡 214028 摘要摘要： ： 太阳电池正面电极的遮光面积和串联电阻是影响电池转换效率的重要因素，减少遮光面积和串联电阻是提高电池转换效率的重要手段。 本文介绍了二次印刷技术的开发成果， 在不增加银浆用量的基础上，可将电池转换效率提高 0.2%以上。同时本文也介绍了使用两种银浆实现浮主栅电池正面电极工艺，这种结构，既减少了表面复合，又能简化了银浆制造难度。关键词关键词： ： 太阳电池；正电极；印刷The Research on Silicon solar cell double printingThe Research on Silicon solar cell double printing on front side on front side Ge Jian、 、 Wang Yin、 、 Zhou Jie 、 、 Huang Haitao、 、 Wu Eryi、 、 Chen Rulong、 、 Yang Jian、 、Zhang Guangchun、 、 Shi ZhengrongShi Zhengrong Suntech Power Holdings Co.,Ltd, Wuxi 214028 ， China Abstract ： The series resistance and shadow area of front side electrode of solar cell is a important factor which can change the efficiency of cells.Reducing the shadow area and reducing the series resistance is a very important method which is used for improving the cells efficiency.This paper investigate the research results of front side double printing,which can increase the cell efficiency by over 0.2%,and will not increase the consumption of Sliver paste at the same time.Meanwhile this paper also introduce the method that we can use two different type of front silver paste for double printing.And we can reduce the surface recombination and simplify the requirements of the Silver paste. Keywords ： Solar cell ； Front side electrode ； Printing1 引言引言引言 在目前的光伏行业中，由于丝网印刷工艺技术成熟、工艺简单且精度容易控制，被广泛用于形成太阳电池的正面电极，但在目前追求高效率低成本的太阳电池的趋势下，丝网印刷技术已逐渐显示出它的局限性。 太阳电池制造工艺中，副栅线高宽比的优化越来越被广泛重视。太阳电池的副栅线的高度越高，副栅线的传输电阻就会越低； 而副栅线的宽度越宽，虽然同样可以降低电阻， 但是会降低有效受光面积，反而会得不偿失，反之，细化副栅则可以增加受光面积，提高太阳电池的转换效率；所以优选是将太阳电池的副栅线做的又细又高，即副栅线的高宽比越高越好。目前的传统的丝网印刷，由于受到浆料流变性的制约，副栅的印刷高度提升往往需要依赖宽度的增加；另外，由于使用的丝网网版膜厚的限制，也会影响透过丝网网版的印刷浆料的下墨量，所以印刷的浆料的高度也存在限制。 另外，在太阳电池的栅线中，其副栅线和主栅线的作用并不完全一致，副栅线主要对太阳电池中产生的光生电流进行收集，主栅线与副栅线电性连接，将副栅线收集的电流进行汇集输出，所以副栅线需要与太阳电池形成欧姆接触，而主栅线却无需与太阳电池形成欧姆接触。但是在传统的丝网印刷工艺中是使用一种浆料对主栅线及副栅线同时印刷，为了尽量提高副栅线的高度，主栅线高度势必也会随之增加，而主栅线的高度增加不但对电性能没有明显帮助， 反而会增加浆料的单耗， 增加成本，同时主栅线高度过高也会造成组件焊接碎片增加，容易导致太阳电池报废。因此基于目前的丝网印刷技术，太阳电池副栅线的高宽比已经难以进一步提高。 Fig 1 ： 传统印刷工艺流程图 及 印刷图形印刷图形设计 设计由于传统丝网印刷工艺中，主栅线与副栅线只能采用相同浆料，在金属化的烧结过程中都会穿透减反（钝化）膜，这样在主栅线位置处会产生多余的复合，从而降低太阳电池的电性能；同时因为需要兼顾正面电极与硅的欧姆接触的影响，硅片扩散的方块电阻只能控制在一个较低的水平，这势必会造成电流的损失；而如果采用掩膜或腐蚀开窗等方式来实现局部重掺，则需要增加很多额外的工序，生产流程较繁琐，增加了生产成本。 本文介绍了二次印刷技术的开发成果（此技术已经申请专利） ， 突破传统印刷工艺的局限， 提高副栅印刷高宽比，改善优质品率。不增加浆料单耗的同时，提高太阳能电池的光电转换效率 0.2%以上。同时基于二次印刷技术，进一步开发了使用两种不同浆料实现的浮主栅工艺，可降低表面复合，减少浆料消耗。为下一步浆料开发的功能专一化、制造难度降低也奠定了基础。 2 实验实验 首先选取设备供应商开展合作， 成功开发出针对性精密对准印刷设备，为后续试验做好硬件准备。 实验为突破目前的副栅高宽比极限， 在传统印刷工艺的基础上， 将正面电极单次印刷分化前后两次印刷实现。 第一次印刷后， 对浆料进行烘干， 以完成第一层浆料的塑型。 然后在第一层浆料的基础上， 相同位置进行第二次印刷，达到堆砌效果。 因二次印刷可以非常好的缓解传统印刷难以解决的细栅线断栅问题， 可以在二次印刷的同时， 将印刷线宽缩窄，进一步提升电流。 Fig 2 ： 二次印刷栅线剖面示意图如果单单将一次印刷转换为二次印刷，虽然能够提升高宽比， 但同时会出现一个问题， 浆料的单耗大幅度增加。 为解决这个问题，针对主栅与副栅的传输特性进行分析。虽然副栅的高度增加能够显著降低传输电阻， 但主栅的高度增加却几乎没有效果。 尤其在组件端，不但没有为电性能带来好处，还会因主栅增高，在组件焊接时产生更大应力， 导致组件生产的成品率降低。 考虑到这一点，将前后两次印刷的图形进行针对性调整， 第一次仅印刷副栅， 第二次将主栅与副栅同时进行印刷。 这样在副栅借助两次印刷提升高宽比的同时， 主栅仅仅进行了一次印刷， 既节省了浆料的无谓消耗，同时也规避了组件生产中的风险。 同时利用此种设计，可以将浆料进行功能性分化，将浮主栅技术变为可能。 在第一次印刷正面电极时（即最底层的电极） ，选用可以穿透减反 （钝化） 膜， 与硅欧姆接触性能较好的浆料， 实现较低的接触电阻； 在印刷更高的电极叠层时， 选用导电性能更好的浆料， 而不需要穿透减反（钝化）膜。 这样在主栅部分，可以仅实现电流传输的功能，而不会穿透减反 （钝化） 膜，避免造成多余复合。 通过这种方式可以达到更细致的分层浆料成分调整，提高电性能。 进一步可以在与硅接触的底层浆料加入了第五族的元素， 在烧结过程中实现了电极位置的重掺， 改善电极位置的欧姆接触。 同时配合整个硅片方块电阻的提高，可以有效提高电流。 Fig 3 ： 二次印刷浮主栅技术工艺流程图 及 印刷图形设计基于此项设计， 在同样硅材料及相同工艺状态下，对单次印刷电池片及两次印刷电池片进行综合对比。3 试验结果与讨论试验结果与讨论 3.1 印刷效果对比 印刷效果对比印刷效果对比 从图 4 中可以看出， 使用二次印刷技术制作的电池， 在高度提升的同时， 宽度几乎可以控制到没有增加。 利用二次印刷技术对断栅的大幅度改善， 匹配高宽比由常规电池的 0.25~0.3 提升至 0.4~0.5 Fig 4 ： 显微镜拍摄印刷效果3. 2 电性能表现对比电性能表现对比 利用二次印刷特性， 匹配针对性的栅线设计， 在浆料用量不增加的同时， 不仅可以降低串联， 电流也会有所提升。最终效率提升可超过 0.2% Table 1：单次印刷与二次印刷的电性能对比3.3 副栅断线情况改善 副栅断线情况改善副栅断线情况改善 二次印刷另一个明显的优势在于副栅印刷质量的明显改善。从图 5 以及图 6、图 7 的对比中可以看出， 单次印刷非常难以解决的印刷断线问题， 使用二次印刷的电池片几乎完全不存在这个问题。 对于浆料印刷的难度以及印刷异常造成的生产停滞都可以带来很大的缓解。 Fig 5 ： 单次印刷单次印刷断线情况与二次印刷印刷质量对比 断线情况与二次印刷印刷质量对比Isc/A Isc/A Rs/mohm Rs/mohm FF/% FF/% NCell/% NCell/% 二次印刷 8.341 2.417 78.62 16.72% 单次印刷 8.290 2.656 78.38 16.50% Fig 6 ： EL 测试单次印刷质量Fig 7 ： EL 测试二次印刷质量3.4 印刷节点改善情况 印刷节点改善情况印刷节点改善情况 对于副栅印刷质量对最终转换效率的影响， 不仅仅取决于副栅高宽比， 同时与副栅的平直性也有非常明显的相关关系。 传统印刷工艺中， 为了保证高宽比表现， 浆料的粘度、 固含量也在不断提高， 包括流变性也在进行对应的改变。 这样的方式也导致印刷难度不断增加， 一方面虚印、 断线情况会愈发严重； 另一方面即使没有出现断线的位置， 栅线平直性也会受到很大影响， 尤其在网版的网结位置， 会出现较明显的节点，如图 8。高度起伏增加，电流传输过程也出现瓶颈， 进而影响转换效率。 受制于浆料特性与网版设计的矛盾，单次印刷很难平衡其中的效果。 而如图 9，二次印刷在降低印刷难度的同时，还能最大程度上补救包括断线、 虚印、 节点等印刷异常，对电性能提高及优质品率提高都可带来帮助。 Fig 8 ： 单次印刷栅线节点情况Fig 9 ： 二次印刷栅线节点情况4 结语结语 使用二次印刷技术， 可以有效地突破传统印刷技术的高宽比瓶颈，匹配针对性的图形设计与网版改进，可以在不增加银浆用量的情况下，将效率提升0.2%以上。 同时进一步匹配浆料改进， 可实现分层浆料功能专一化的浮主栅技术。 不仅可以进一步提高电性能， 降低银浆耗量， 同时也降低了部分银浆的制造难度，为进一步的成本降低奠定基础。 参考文献1.B.Raabe,F.Huster,M.McCann,P.Fath,” High Aspect Ratio Screen Printed Fingers” ,20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, 2005 2.M.A.Green,” Design of Silicon Solar Cells ” from Solar Cells:Operaring Principles, Technology and System Applications, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,1998 3.D.L.Meier,E.A.Good,A.Garcia,B.L.Bingham,S.Yamanaka,V.Chandrasekaran,C.Buchner “ Determining components of series resistance from measurements on a finished cell ”4 thWCPEC,2006,pp.1315-1318. 4.E.Reis,D.Huljic,P.Hahne,R.Preu,D.Zickermann,B.Bucher.P.V.Fleischer, ” Fine-line Screen Printing for Solar Cells ” ,Technical Digest of the International PVSEC-11,1999,pp.335-336.