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银耗锐减93%,铜电镀革新TOPCon电池迈向1mg/W新时代
日期:2025-01-08浏览量:10
光伏产业发展迅速,面临银等关键资源长期可用性的挑战,2022年全球光伏产业消耗了约 13%的全球年度银产量,预计到 2050 年将需要高达 93% 的已知全球银储量。
铜和铝是替代银的有潜力材料,其中铜在导电性方面与银接近,但在高温电池概念(如 TOPCon)中应用铜基金属化存在技术挑战,如铜在硅中的扩散、氧化、交叉污染以及电极的长期可靠性等问题。
丝网印刷铜浆料用于iTOPCon 太阳能电池的金属化
具有丝网印刷铜背侧栅格的iTOPCon 电池结构示意图
iTOPCon太阳能电池结构:包括n型硅基底、隧道氧化层、钝化层以及金属化层等关键部分。
铜背面网格:使用了丝网印刷的铜浆料来形成背面的金属网格,这种设计旨在替代传统的银基金属化,以降低银的使用量并提高电池的可持续性。合理的网格设计可以有效降低电池的串联电阻,提高光电转换效率。
实验1的流程图
组1(实验组):使用标准的正面银铝(AgAl)浆料进行金属化,背面高温烧结铜浆料进行丝网印刷。背面的网格布局包括5根主栅线(宽度为100μm)和160根指栅线(宽度为80μm)。
组2(对照组):正面和背面均使用商业化的银浆料进行金属化。正面网格布局与组1相同,背面为无主栅线布局,包含194根指栅线(宽度为24μm)和12根伪主栅线(宽度为60μm)。
对于组1的电池,进行烧结,通过改变第六区的设定温度来调整峰值晶圆温度,共使用了五个设定温度(740-800°C,以15°C为间隔),每种条件下烧结6个电池。组2的电池在丝网印刷和干燥后,统一在峰值设定温度790°C下共烧结。
铜浆的丝网印刷
丝网印刷铜浆料的过程:这是实验中用于TOPCon太阳能电池背面金属化的一个重要步骤,其中铜浆料通过丝网印刷的方式被应用到太阳能电池上。
太阳能电池的铜网格布局:图中展示了使用丝网印刷技术在TOPCon太阳能电池上形成的铜网格布局。这个网格布局是太阳能电池金属化设计的一部分,对于电池的导电性和效率有直接影响。
实验1的实验结果:
铜浆料丝网印刷后的TOPCon电池共聚焦激光扫描显微镜图像
通过显微镜测量成像,清晰地显示了铜浆料指条的宽度。经过丝网印刷和烧结后,指条的宽度约为130-150μm。铜浆料指条的高度,范围在20-25μm之间。
图中指条的阴影效应表明其在电池背面形成了明显的金属化图案。这种阴影效应对于电池的光电转换效率有双重影响:一方面,金属化图案会遮挡部分入射光,减少光生载流子的产生;另一方面,合理的金属化图案可以有效收集和传输光生载流子,降低载流子的复合损失。
两组电池I-V测试结果对比
两组电池的湿银浆料沉积量数据
开路电压(Voc):实验组的平均Voc比对照组低约45毫伏,这可能是由于背面铜浆料在烧结过程中对TOPCon钝化层造成了一定程度的损伤,导致了载流子复合损失增加。
短路电流密度(Jsc):实验组的Jsc略低于对照组,这与Voc的降低有关,可能是由于载流子复合损失增加导致光生载流子数量减少。
填充因子(FF):实验组的FF比对照组低约1.2%,这表明实验组电池存在一定的串联电阻损失。
电池效率:组1最佳电池的效率达到了21.6%,平均效率为20.9%;组2最佳电池的效率为23.5%,平均效率为23.3%。
实验组的银浆料湿重减少了约65mg,相当于每片电池的银耗降低了约62%。与对照组相比,实验组的银耗从约17mg/W降低到了约7mg/W。
电镀铜金属化制备大尺寸 TOPCon 太阳能电池
采用电镀镍、铜和银金属化工艺的iTOPCon太阳能电池结构
激光接触开孔(LCO):使用皮秒脉冲激光在电池的正面和背面钝化层上局部开孔,形成窄的指状开口,以便后续金属化。正面的指状开口宽度为5μm,背面为10μm。
电镀金属化:在LCO后的电池上,通过电镀工艺依次沉积镍扩散阻挡层、铜导电层和银覆盖层。镍层作为扩散阻挡层,防止铜扩散到硅中;铜层提供主要的导电功能;银层则用于防止铜氧化并提高导电性。
网格布局:正面有194根指状线和12根伪主栅线(宽度为20μm),背面有235根指状线和12根伪主栅线(宽度为50μm)。这种布局有助于优化电池的电流收集和传输效率。
电镀生产线
通过示意图展示了从电池基底到金属化完成的整个工艺流程,包括钝化层沉积、激光开孔和电镀金属化等关键步骤。这有助于理解电镀Ni/Cu/Ag金属化工艺在iTOPCon太阳能电池中的应用方式和实现过程。
实验2的流程图
组1(电镀Ni/Cu/Ag金属化):
激光接触开孔(LCO):使用皮秒脉冲激光在电池的正面和背面钝化层上局部开孔,形成窄的指状开口,以便后续金属化。正面的指状开口宽度为5μm,背面为10μm。
电镀金属化:在LCO后的电池上,通过RENA InCellPlate电镀生产线依次沉积镍扩散阻挡层、铜导电层和银覆盖层。镍层防止铜扩散到硅中,铜层提供主要的导电功能,银层则用于防止铜氧化并提高导电性。
组2(丝网印刷银浆料金属化):
正面金属化:使用先进的AgAl丝网印刷浆料在正面进行无主栅线网格印刷,包含154根指状线,指状线宽度为24μm。
背面金属化:使用银浆料在背面进行网格印刷,包含198根指状线,指状线宽度为24μm。
干燥与烧结:在200°C下干燥1分钟后,使用快速烧结炉在780°C下进行烧结,使浆料与硅基底形成良好的欧姆接触。
实验2的实验结果
两组最佳电池的I-V测量结果
两组电池的银消耗估计值
首次成功制备了 M10 大尺寸 TOPCon 太阳能电池,电镀组和丝网印刷参考组的最佳电池效率均为 24.0%,电镀组填充因子略高,丝网印刷组开路电压略高。
电镀组每片电池仅沉积 9mg 银作为覆盖层,银消耗降至约 1mg/W,相比丝网印刷参考组(约 15mg/W)减少约 93%,若用锡等替代银覆盖层,可完全避免银的使用。
电镀镍、铜和银(Ni/Cu/Ag)金属化工艺不仅成功地将银耗降低到约1mg/W,相比传统丝网印刷工艺减少了约93%,而且在保持电池光电转换效率稳定在24.0%,展现了其在降低生产成本和提高光伏产业可持续性方面的巨大潜力。
联系电话:400 008 6690
美能3D共聚焦显微镜ME-PT3000,运用尖端的光学技术,可以非常精确地测量光伏电池片上的陡峭斜面和复杂的表面结构,实时提供详尽的高度和宽度分布数据。
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电镀Ni/Cu/Ag金属化工艺的成功应用,结合美能3D共聚焦显微镜的先进分析手段,为光伏产业的可持续发展注入了新的动力,也为相关技术的深入研究和产业化应用提供了有力的支持。
原文出处:Breaking the Barrier: Unveiling the Potential of Copper for Solar Cell Metallization