一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法技术

本发明专利技术涉及一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，利用3D喷墨打印技术，首先采用两种不同的浆料配方对形成TCO膜的HIT太阳能电池上的正面进行两次喷墨打印并烘干获得正面电极，然后以同样的方法对背面进行喷墨打印获得背面电极，最后进行固化即可。本发明专利技术减少了银的使用，节约了电池成本，且两次喷涂打印分别降低了接触电阻和线阻，提高了光电转换效率。此外，HIT电极制作只需低温烧结，降低了加热能耗，节约了能源，制得的墨水分散性好，稳定性高，可大大降低墨水中团聚颗粒堵塞喷印孔的现象，具有生产成本低、工艺设备简单、制备过程绿色高效的特点。

Method for preparing HIT electrode by 3D ink jet printing

The invention relates to a method for preparing 3D inkjet printing HIT electrodes, using 3D inkjet printing technology, the formula of two different two ink-jet printing and drying to obtain positive electrodes on the surface of HIT solar cell formation of TCO membrane, and then with the same method of ink-jet printing on the back of the back the electrode can be cured. The invention reduces the use of silver, saves the cost of the battery, and reduces the contact resistance and line resistance by two times of spraying and printing, thereby improving the photoelectric conversion efficiency. In addition, the HIT electrode only low temperature sintering, reduce the heating energy consumption, saving energy, the prepared ink has good dispersion, high stability, can greatly reduce the ink particles blocked printing hole phenomenon, has low production cost, simple process and equipment, the preparation process of green and efficient.

【技术实现步骤摘要】
一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法
本专利技术涉及一种太阳能电池电极的制备方法，尤其是涉及一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法。
技术介绍
喷墨打印技术是一种无接触、无压力、无印版的传统印刷技术，常规用在纸质基材的字体、图案打印上，其图案一般为二维形态，喷印材料为碳基墨水或有机、无机盐材料的彩色墨水。随着快速成型技术与打印技术的结合，出现了三维打印技术(3D打印)，可以将各种有机、无机功能材料无掩膜、非接触地逐层打印堆积于基材表面，形成特殊形态结构的立体形状，可以是功能器件、零件、模型，甚至是人体器官或骨骼等。使用3D打印技术能节省原材料，实现从电脑设计图案直接成型，缩短了研发周期，能快速、灵活地更改设计。打印机本身的制造相对容易，而选择何种适合打印的材料实现目标功能，成为3D打印技术发展的关键。自上个世纪石油危机以来，各国都在探讨一种新能源来缓解能源危机。太阳能电池直接将太阳光转化为电力，是一种清洁能源，因而这种新型能源越来越备受关注。随着太阳能电池光电转换效率的提升，光伏发电的成本在阳光充足地方已接近火力发电成本，国际能源署预测太阳能发电量在2050年约占全球发电量的16％，将是未来能源获取的主要形式之一。太阳能电池有许多种类，其中HIT太阳电池具有转换效率高，制备工艺简单，温度低等特点，是大规模应用的低价电池之一。HIT太阳电池在制备工艺和材料上的优势，加上其转换效率高，因此具有较好的发展前景。与晶硅太阳能电池类似，在工业化生产中，HIT太阳能电池的表面金属化也采用银浆丝网印刷工艺，因此电极制作是HIT太阳能电池的关键工序之一。制作电极的方法主要有真空蒸镀、电镀、丝网印刷等，其中银浆的丝网印刷及低温烧结是目前HIT电池生产中采用的工艺方法。银电极在电池表面呈H型指状分布，细线(细栅)收集电流，粗线(主栅)导出电流。为改善HIT电池的性能，在电极制作时需要考虑以下几个方面：①银电极在正面所占的面积，决定了受光面的大小，与太阳电池光电转换效率成反比，因此，遮光面积应尽可能小，细栅和主栅尽可能窄，以改善电池的Jsc；②银电极的内阻应尽可能低以提高输出效率，在体电阻率相同情况下，栅线尽可能高，增加横截面积以降低电极内阻，电极与电池表面之间的接触电阻大小应尽可能低，一般与电极原始颗粒大小成正比③采用高质量、低电阻的栅线电极材料，以改善电池的FF，一般电池的栅线电阻与电极原始颗粒大小成反比。HIT电池由于非晶硅薄膜的特性决定了其烧结温度只能在200℃左右，因此选用的浆料必须是低温浆料，使用低温浆料要求既要达到较高的导电性，与TCO薄膜间的接触电阻又要低。目前，可应用于HIT电池的低温银浆有两种类型。一种是热塑性浆料，其溶剂含量较多，需要控制烧结温度防止溶剂滞留在电极与硅片的接触区域。对这种浆料加热则开始聚合固化，同时有利于使长链聚合物分子自由移动，而冷却则减少这种移动。另一种是热固性浆料，它的表现则完全不同。在加热固化过程中，热固性聚合物在相邻的聚合物链间形成化学键，导致形成三维网络结构，比热塑性浆料形成的二维结构要刚硬。丝网漏印技术中，网板的开孔约30-45微米，浆料单次印刷烧结后，宽度在50-60微米甚至更宽，高度一般在12-20微米，其高度与宽度的比值在0.4以下，而且由于印刷网孔堵塞，有电极断线的可能性。如果采用喷墨打印技术，逐层打印堆积成型，可以形成宽度30-50微米、高度30-50微米的细栅线，高宽比可以做到1，可以降低遮光面积、减少电极内阻并提高转换效率，同时也降低了银浆料耗量。其成型机理是，喷墨打印头将墨水喷印到基材电池片上，由于基台加热原因电池片表面温度在150-200℃，墨滴喷射到电池片表面溶剂迅速挥发，剩下的固体颗粒在表面堆积，多次在同一地方喷印，栅线就会逐步增高而线宽保持不变。传统的HIT电极制作一般都基于丝网印刷技术，譬如中国专利技术专利，申请公布号CN102738302A，公布了一种HIT太阳能电池电极的形成方法，其特点是在形成ITO膜的HIT太阳能电池上，采用二次印刷技术在电池的正反两面对栅线电极进行印刷，其中，第二次印刷的主栅用银浆比第一次印刷的细栅用银浆的银含量低。该方法虽降低了成本，延续了二次印刷技术的优点，但仍然存在丝网印刷的问题。再如，中国专利技术专利，申请公布号CN103887348A，公布了一种HIT太阳电池电极及其制作方法，其特点在于按照一定的间距将一定量的导电胶敷着在金属丝上，然后通过拉丝装置将金属丝拉至电池表面上方粘覆，从而构成一系列平行布置的细栅线电极。而其主栅电极仍采用丝网印刷工艺，且其热处理过程所需的温度高于200℃，不符合HIT电极的低温烧结要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，能够节约银浆用量，降低生产成本；提高栅线高宽比以减少遮挡面积，从而提高转换效率；此外，制备过程工艺设备简单、绿色高效。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，利用3D喷墨打印技术，首先采用两种不同的浆料配方对形成TCO膜的HIT太阳能电池上的正面进行两次喷墨打印并烘干获得正面电极，然后以同样的方法对背面进行喷墨打印获得背面电极，最后进行固化即可。具体来说，利用喷墨打印头将导电墨水喷印到基材电池片上，基台同时加热，电池片表面温度在100-200℃，墨滴喷射到电池片表面溶剂迅速挥发，剩下的固体颗粒在表面堆积，多次在同一地方喷印，栅线就会逐步增高而线宽保持不变。第一次喷墨打印的导电墨水采用以下组分及重量份含量制备得到：纳米银颗粒1-55、有机溶剂40-99、分散剂0.1-10、表面活性剂0.1-5、热固性树脂0.1-10；第二次喷墨打印的导电墨水采用以下组分及重量份含量制备得到：纳米银颗粒1-55、有机溶剂40-99、分散剂0.1-10、表面活性剂0.1-5。作为优选的实施方式，第一次喷墨打印的导电墨水中纳米银颗粒的粒径范围<50nm，优选采用粒径为40nm的纳米银颗粒，加入的重量份为35-45。纳米银颗粒越小，单位面积内纳米银颗粒越多，纳米银与电池表面的接触点数越多，使接触电阻越小。第二次喷墨打印的导电墨水中纳米银颗粒的粒径范围为50-100nm，优选采用粒径为60nm的纳米银颗粒，加入的重量份为35-45。纳米银颗粒大，导电性良好，烧结时排出的纳米颗粒体积少，使线阻降低。纳米银颗粒的粒径尺寸应远小于喷印设备中打印头的喷嘴直径，保证墨水中的固体颗粒不会将喷嘴堵塞，影响喷印的连续性，从而大大提高产品的质量以及生产效率。纳米银与块状银相比，有更大的比表面积，单位面积的原子数更多，单位体积的粒子数更多，在烧结过程中，颗粒与颗粒之间融合，表面消失，如果粒径过小，会造成电极体内有大量空洞，过小的纳米银也更容易团聚造成堵塞，本专利技术两次打印中分别优选粒径40nm和60nm的纳米银具有优异的效果。对于固体含量，含量低不利于提高银层堆积效率，过高则墨水中单位体积内银粒子数过多，容易形成团聚，本专利技术优选的纳米银颗粒重量份为35-45。作为优选的实施方式，有机溶剂沸点为100-150℃，表面张力20-35dyn/cm，该墨水溶剂区别于常规墨水，与其工艺密切相关。该墨水的喷印堆积温度在1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，该方法利用3D喷墨打印技术，首先采用两种不同的浆料配方对形成TCO膜的HIT太阳能电池上的正面进行两次喷墨打印并烘干获得正面电极，然后以同样的方法对背面进行喷墨打印获得背面电极，最后进行固化即可。

【技术特征摘要】
1.一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，该方法利用3D喷墨打印技术，首先采用两种不同的浆料配方对形成TCO膜的HIT太阳能电池上的正面进行两次喷墨打印并烘干获得正面电极，然后以同样的方法对背面进行喷墨打印获得背面电极，最后进行固化即可。2.根据权利要求1所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，利用喷墨打印头将导电墨水喷印到基材电池片上，基台同时加热，电池片表面温度在100-200℃，墨滴喷射到电池片表面溶剂迅速挥发，剩下的固体颗粒在表面堆积，多次在同一地方喷印，栅线就会逐步增高而线宽保持不变。3.根据权利要求1所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，第一次喷墨打印的导电墨水采用以下组分及重量份含量制备得到：纳米银颗粒1-55、有机溶剂40-99、分散剂0.1-10、表面活性剂0.1-5、热固性树脂0.1-10；第二次喷墨打印的导电墨水采用以下组分及重量份含量制备得到：纳米银颗粒1-55、有机溶剂40-99、分散剂0.1-10、表面活性剂0.1-5。4.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，第一次喷墨打印的导电墨水中纳米银颗粒的粒径范围<50nm，优选采用粒径为40nm的纳米银颗粒，加入的重量份优选为35-45；第二次喷墨打印的导电墨水中纳米银颗粒的粒径为50-100nm，优选采用粒径为60nm的纳米银颗粒，加入的重量份优选为35-45。5.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，所述的有机溶剂的沸点为100-150℃，表面张力为20-35dyn/cm，选自异丁醇、乙二醇-甲醚、乙二醇-乙醚、异丙醇、丙酸丙酯、乙酸、乙酸丁酯、乙酰胺、吡啶、3-氨基乙醇、丁酸丁酯或环氧氯丙烷中一种或多种。6.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，所述的分散剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚氨酯、聚羧酸、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸中的一种或多种。7.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，所述的表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺、硬脂酸、三乙醇胺、月桂酸或聚氧乙烯醚中的一种或多种。8.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打印制备HIT电极的方法，其特征在于，所述的热固性树脂的粒径分布在100nm以内，优选为50nm，采用酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或聚酰亚胺中的一种或多种。9.根据权利要求4所述的一种3D喷墨打...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊胜虎，张继平，黄俊皓，袁晓，柳翠，叶晓军，李红波，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31