一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法技術

本發明專利技術涉及一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，利用3D噴墨打印技術，首先采用兩種不同的漿料配方對形成TCO膜的HIT太陽能電池上的正面進行兩次噴墨打印并烘干獲得正面電極，然后以同樣的方法對背面進行噴墨打印獲得背面電極，最后進行固化即可。本發明專利技術減少了銀的使用，節約了電池成本，且兩次噴涂打印分別降低了接觸電阻和線阻，提高了光電轉換效率。此外，HIT電極制作只需低溫燒結，降低了加熱能耗，節約了能源，制得的墨水分散性好，穩定性高，可大大降低墨水中團聚顆粒堵塞噴印孔的現象，具有生產成本低、工藝設備簡單、制備過程綠色高效的特點。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法
本專利技術涉及一種太陽能電池電極的制備方法，尤其是涉及一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法。
技術介紹
噴墨打印技術是一種無接觸、無壓力、無印版的傳統印刷技術，常規用在紙質基材的字體、圖案打印上，其圖案一般為二維形態，噴印材料為碳基墨水或有機、無機鹽材料的彩色墨水。隨著快速成型技術與打印技術的結合，出現了三維打印技術(3D打印)，可以將各種有機、無機功能材料無掩膜、非接觸地逐層打印堆積于基材表面，形成特殊形態結構的立體形狀，可以是功能器件、零件、模型，甚至是人體器官或骨骼等。使用3D打印技術能節省原材料，實現從電腦設計圖案直接成型，縮短了研發周期，能快速、靈活地更改設計。打印機本身的制造相對容易，而選擇何種適合打印的材料實現目標功能，成為3D打印技術發展的關鍵。自上個世紀石油危機以來，各國都在探討一種新能源來緩解能源危機。太陽能電池直接將太陽光轉化為電力，是一種清潔能源，因而這種新型能源越來越備受關注。隨著太陽能電池光電轉換效率的提升，光伏發電的成本在陽光充足地方已接近火力發電成本，國際能源署預測太陽能發電量在2050年約占全球發電量的16％，將是未來能源獲取的主要形式之一。太陽能電池有許多種類，其中HIT太陽電池具有轉換效率高，制備工藝簡單，溫度低等特點，是大規模應用的低價電池之一。HIT太陽電池在制備工藝和材料上的優勢，加上其轉換效率高，因此具有較好的發展前景。與晶硅太陽能電池類似，在工業化生產中，HIT太陽能電池的表面金屬化也采用銀漿絲網印刷工藝，因此電極制作是HIT太陽能電池的關鍵工序之一。制作電極的方法主要有真空蒸鍍、電鍍、絲網印刷等，其中銀漿的絲網印刷及低溫燒結是目前HIT電池生產中采用的工藝方法。銀電極在電池表面呈H型指狀分布，細線(細柵)收集電流，粗線(主柵)導出電流。為改善HIT電池的性能，在電極制作時需要考慮以下幾個方面：①銀電極在正面所占的面積，決定了受光面的大小，與太陽電池光電轉換效率成反比，因此，遮光面積應盡可能小，細柵和主柵盡可能窄，以改善電池的Jsc；②銀電極的內阻應盡可能低以提高輸出效率，在體電阻率相同情況下，柵線盡可能高，增加橫截面積以降低電極內阻，電極與電池表面之間的接觸電阻大小應盡可能低，一般與電極原始顆粒大小成正比③采用高質量、低電阻的柵線電極材料，以改善電池的FF，一般電池的柵線電阻與電極原始顆粒大小成反比。HIT電池由于非晶硅薄膜的特性決定了其燒結溫度只能在200℃左右，因此選用的漿料必須是低溫漿料，使用低溫漿料要求既要達到較高的導電性，與TCO薄膜間的接觸電阻又要低。目前，可應用于HIT電池的低溫銀漿有兩種類型。一種是熱塑性漿料，其溶劑含量較多，需要控制燒結溫度防止溶劑滯留在電極與硅片的接觸區域。對這種漿料加熱則開始聚合固化，同時有利于使長鏈聚合物分子自由移動，而冷卻則減少這種移動。另一種是熱固性漿料，它的表現則完全不同。在加熱固化過程中，熱固性聚合物在相鄰的聚合物鏈間形成化學鍵，導致形成三維網絡結構，比熱塑性漿料形成的二維結構要剛硬。絲網漏印技術中，網板的開孔約30-45微米，漿料單次印刷燒結后，寬度在50-60微米甚至更寬，高度一般在12-20微米，其高度與寬度的比值在0.4以下，而且由于印刷網孔堵塞，有電極斷線的可能性。如果采用噴墨打印技術，逐層打印堆積成型，可以形成寬度30-50微米、高度30-50微米的細柵線，高寬比可以做到1，可以降低遮光面積、減少電極內阻并提高轉換效率，同時也降低了銀漿料耗量。其成型機理是，噴墨打印頭將墨水噴印到基材電池片上，由于基臺加熱原因電池片表面溫度在150-200℃，墨滴噴射到電池片表面溶劑迅速揮發，剩下的固體顆粒在表面堆積，多次在同一地方噴印，柵線就會逐步增高而線寬保持不變。傳統的HIT電極制作一般都基于絲網印刷技術，譬如中國專利技術專利，申請公布號CN102738302A，公布了一種HIT太陽能電池電極的形成方法，其特點是在形成ITO膜的HIT太陽能電池上，采用二次印刷技術在電池的正反兩面對柵線電極進行印刷，其中，第二次印刷的主柵用銀漿比第一次印刷的細柵用銀漿的銀含量低。該方法雖降低了成本，延續了二次印刷技術的優點，但仍然存在絲網印刷的問題。再如，中國專利技術專利，申請公布號CN103887348A，公布了一種HIT太陽電池電極及其制作方法，其特點在于按照一定的間距將一定量的導電膠敷著在金屬絲上，然后通過拉絲裝置將金屬絲拉至電池表面上方粘覆，從而構成一系列平行布置的細柵線電極。而其主柵電極仍采用絲網印刷工藝，且其熱處理過程所需的溫度高于200℃，不符合HIT電極的低溫燒結要求。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，能夠節約銀漿用量，降低生產成本；提高柵線高寬比以減少遮擋面積，從而提高轉換效率；此外，制備過程工藝設備簡單、綠色高效。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，利用3D噴墨打印技術，首先采用兩種不同的漿料配方對形成TCO膜的HIT太陽能電池上的正面進行兩次噴墨打印并烘干獲得正面電極，然后以同樣的方法對背面進行噴墨打印獲得背面電極，最后進行固化即可。具體來說，利用噴墨打印頭將導電墨水噴印到基材電池片上，基臺同時加熱，電池片表面溫度在100-200℃，墨滴噴射到電池片表面溶劑迅速揮發，剩下的固體顆粒在表面堆積，多次在同一地方噴印，柵線就會逐步增高而線寬保持不變。第一次噴墨打印的導電墨水采用以下組分及重量份含量制備得到：納米銀顆粒1-55、有機溶劑40-99、分散劑0.1-10、表面活性劑0.1-5、熱固性樹脂0.1-10；第二次噴墨打印的導電墨水采用以下組分及重量份含量制備得到：納米銀顆粒1-55、有機溶劑40-99、分散劑0.1-10、表面活性劑0.1-5。作為優選的實施方式，第一次噴墨打印的導電墨水中納米銀顆粒的粒徑范圍<50nm，優選采用粒徑為40nm的納米銀顆粒，加入的重量份為35-45。納米銀顆粒越小，單位面積內納米銀顆粒越多，納米銀與電池表面的接觸點數越多，使接觸電阻越小。第二次噴墨打印的導電墨水中納米銀顆粒的粒徑范圍為50-100nm，優選采用粒徑為60nm的納米銀顆粒，加入的重量份為35-45。納米銀顆粒大，導電性良好，燒結時排出的納米顆粒體積少，使線阻降低。納米銀顆粒的粒徑尺寸應遠小于噴印設備中打印頭的噴嘴直徑，保證墨水中的固體顆粒不會將噴嘴堵塞，影響噴印的連續性，從而大大提高產品的質量以及生產效率。納米銀與塊狀銀相比，有更大的比表面積，單位面積的原子數更多，單位體積的粒子數更多，在燒結過程中，顆粒與顆粒之間融合，表面消失，如果粒徑過小，會造成電極體內有大量空洞，過小的納米銀也更容易團聚造成堵塞，本專利技術兩次打印中分別優選粒徑40nm和60nm的納米銀具有優異的效果。對于固體含量，含量低不利于提高銀層堆積效率，過高則墨水中單位體積內銀粒子數過多，容易形成團聚，本專利技術優選的納米銀顆粒重量份為35-45。作為優選的實施方式，有機溶劑沸點為100-150℃，表面張力20-35dyn/cm，該墨水溶劑區別于常規墨水，與其工藝密切相關。該墨水的噴印堆積溫度在1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，該方法利用3D噴墨打印技術，首先采用兩種不同的漿料配方對形成TCO膜的HIT太陽能電池上的正面進行兩次噴墨打印并烘干獲得正面電極，然后以同樣的方法對背面進行噴墨打印獲得背面電極，最后進行固化即可。

【技術特征摘要】
1.一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，該方法利用3D噴墨打印技術，首先采用兩種不同的漿料配方對形成TCO膜的HIT太陽能電池上的正面進行兩次噴墨打印并烘干獲得正面電極，然后以同樣的方法對背面進行噴墨打印獲得背面電極，最后進行固化即可。2.根據權利要求1所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，利用噴墨打印頭將導電墨水噴印到基材電池片上，基臺同時加熱，電池片表面溫度在100-200℃，墨滴噴射到電池片表面溶劑迅速揮發，剩下的固體顆粒在表面堆積，多次在同一地方噴印，柵線就會逐步增高而線寬保持不變。3.根據權利要求1所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，第一次噴墨打印的導電墨水采用以下組分及重量份含量制備得到：納米銀顆粒1-55、有機溶劑40-99、分散劑0.1-10、表面活性劑0.1-5、熱固性樹脂0.1-10；第二次噴墨打印的導電墨水采用以下組分及重量份含量制備得到：納米銀顆粒1-55、有機溶劑40-99、分散劑0.1-10、表面活性劑0.1-5。4.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，第一次噴墨打印的導電墨水中納米銀顆粒的粒徑范圍<50nm，優選采用粒徑為40nm的納米銀顆粒，加入的重量份優選為35-45；第二次噴墨打印的導電墨水中納米銀顆粒的粒徑為50-100nm，優選采用粒徑為60nm的納米銀顆粒，加入的重量份優選為35-45。5.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，所述的有機溶劑的沸點為100-150℃，表面張力為20-35dyn/cm，選自異丁醇、乙二醇-甲醚、乙二醇-乙醚、異丙醇、丙酸丙酯、乙酸、乙酸丁酯、乙酰胺、吡啶、3-氨基乙醇、丁酸丁酯或環氧氯丙烷中一種或多種。6.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，所述的分散劑選自聚乙烯醇、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種或多種。7.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，所述的表面活性劑選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯酰胺、硬脂酸、三乙醇胺、月桂酸或聚氧乙烯醚中的一種或多種。8.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打印制備HIT電極的方法，其特征在于，所述的熱固性樹脂的粒徑分布在100nm以內，優選為50nm，采用酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺中的一種或多種。9.根據權利要求4所述的一種3D噴墨打...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊勝虎，張繼平，黃俊皓，袁曉，柳翠，葉曉軍，李紅波，
申請(專利權)人：華東理工大學，
類型：發明
國別省市：上海,31