本發明屬于先進制造技術領域，涉及一種電噴印太陽能光伏電池電極的方法。

背景技術：

太陽能光伏電池(以下簡稱光伏電池)能夠將太陽能直接轉換為電能，其原理是光生伏特效應。目前，硅太陽能電池發展最成熟，且在電池應用中占主導地位。

硅太陽能電池主要由上電極、下電極、n型半導體、p型半導體以及p-n結等組成，其中上下電極直接與負載連接并向負載輸出電壓，是影響光伏電池串聯電阻和光電轉化效率的關鍵。光伏電池普遍采用銀作為電極材料，銀電極也是影響光伏電池成本的重要部分。光伏電池電極的寬度、高度、高寬比以及電極在電池板的面積對光伏電池光電轉換效率具有重要影響。光伏電池有兩條主柵和多條細柵，平行排列在鍍有減反射膜的N型半導體上。為減小遮光效應和獲得較小線阻，要求線寬小、線高大，附著力和電導性能優良。

目前普遍采用絲網印刷技術制備光伏電池電極，該技術單次印刷燒結后制備的銀電極寬度在50μm以上，高度在12-20μm，絲網印刷制備的柵線高寬比僅為0.4。受到網板結構和漿料性質的限制，難以進一步降低電極結構的寬度，因此難以降低電極在電池板上的面積，導致難以減小陰影損失。盡管通過二次印刷可以提高電極結構高度，但是二次印刷存在電極線寬精度難控制、工藝過程復雜等難題，這限制了光伏電池開路電壓、短路電流、平面利用率、光電轉換效率等性能的進一步提高。此外，由于絲網印刷屬于接觸制造方法，它直接把壓力施加在易碎的半導體晶片上，容易造成晶片裂紋、斷裂等損傷。并且絲網印刷的電極漿料利用率受限，需要經常更換絲網，這些增加了光伏電池的制造成本。

技術實現要素：

本發明要解決的技術難題是克服上述技術的不足，發明一種電噴印太陽能光伏電池電極的方法。利用導電墨水在電場力作用下形成的微米級精細射流，并同時利用熱場處理電噴印中的導電射流和電噴印成型的導電墨水，免除模板工藝過程，在光伏電池半導體片上直接打印成型光伏電池電極。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種電噴印太陽能光伏電池電極的方法，首先對導電墨水施加流體壓力，使之以一定的流速流出噴頭噴孔；然后對導電墨水施加一定電場，使之形成遠小于噴孔內徑精細射流；同時對射流進行加熱，使導電墨水部分溶劑蒸發；最后在加熱的光伏電池半導體片上噴印電極結構，使導電墨水迅速固化，形成光伏電池電極結構。本發明基于太陽能光伏電池電極的電噴印裝置實現，所述的電噴印裝置主要包括流體噴印模塊、運動模塊、顯微視覺模塊和控制模塊四部分。

所述的流體噴印模塊包括注射泵3、注射器4、導電墨水5、噴頭6、噴頭夾具7、電壓控制器8和加熱裝置；所述的注射器4固定于注射泵3上方，注射器4內裝有導電墨水5，注射器4通過導管與噴頭6上端進口連接；所述的噴頭6由導電材料制造，頭部加工有內徑200微米以下的噴孔13，并由噴頭夾具7定位夾緊；所述的噴頭夾具7前端導電并夾緊噴頭6，后端絕緣并固定在可以縱向移動的Z位移軸上，實現噴印高度的調節，噴頭夾具7前端導電并夾緊噴頭6。所述的電壓控制器8的電源線連接220V交流電源，電壓輸出范圍為0-5kV，其輸出端連接在噴頭夾具7導電部分的右端。所述的加熱裝置可以采用多種加熱方式，其中包含使用紅外加熱燈9加熱和使用具有加熱功能的運動平臺基板12加熱等加熱方式。使用紅外加熱燈9加熱時，紅外加熱燈9連接0-30V直流電源，由0-30V直流電源供電，其發熱功率范圍為0-300W，燈身放置在光伏電池半導體片15右上方，使燈光照射整個光伏電池半導體片15表面區域并加熱光伏電池半導體片15。使用具有加熱功能的運動平臺基板12加熱時，運動平臺基板12內部鑄有電熱管，通過外接的數字溫控器實時監控其溫度，運動平臺基板12的溫度調節范圍為20-400℃。

所述的運動模塊包括真空吸附裝置10、運動平臺11、運動平臺基板12、光伏電池半導體片15；所述的運動平臺11能夠實現二維平面運動，其電源線連接220V交流電源，USB數據線連接上位機1，通過上位機1控制其運動軌跡和運動速度。所述的運動平臺基板12是平面度1微米以下的金屬厚板，通過絕緣螺釘與絕緣墊圈固定在運動平臺11上方，跟隨運動平臺11一起運動。在運動平臺基板12內加工氣道，氣道下方與真空吸附裝置10連接，氣道上方放置光伏電池半導體片15，真空吸附裝置10吸附固定光伏電池半導體片15，使其跟隨運動平臺11一起運動。

所述的顯微視覺模塊包括相機2及其實時監測軟件。所述的相機2與打印區域對準，由USB數據線將其觀測數據傳輸給上位機1，并通過上位機1上的實時監測軟件實時監測打印過程。

所述的控制模塊為上位機1。所述的上位機1控制運動平臺11的運動軌跡和運動速度，控制噴孔13的打印高度，并監測相機2視野范圍內的打印過程。

采用上述裝置進行電噴印太陽能光伏電池電極的方法，包括以下步驟：

1)電場-熱場條件下的射流形成

在運動平臺基板12上放置光伏電池半導體片15，開啟真空吸附裝置10將光伏電池半導體片15固定。通過注射泵3將導電墨水5注入噴頭6中，并調節導電墨水5的流量，調節范圍為0.01-5μL/min。調節噴孔13與光伏電池半導體片15的間距，調節范圍為1-3mm。開啟電壓控制器，在噴孔13和運動平臺基板12間施加電場，調節電壓控制器輸出電壓，調節范圍為1000-3000V。上述三項參數互相協調，最終使噴孔13處的導電墨水5形成遠小于噴孔13尺寸的穩定射流14。

2)光伏電池電極結構的噴印制造

根據光伏電池電極16的形狀，編寫運動控制程序，由上位機1控制運動平臺11的運動軌跡和速度，由注射泵3調節噴孔13處導電墨水5的流量，打印出光伏電池電極16的圖案。所述的圖案的線寬和厚度受運動平臺11的速度和導電墨水5的流量影響，速度范圍0.1-30mm/s，流量范圍0.01-5μL/min的情況下，所述的圖案寬度為10-150μm，厚度為5-70μm。所述的圖案的打印過程應通過相機2和實時監測軟件監測，以保證射流14的穩定性。

3)光伏電池電極結構的固化成型

使用紅外加熱燈9加熱時，光伏電池電極16的圖案在打印的同時，射流14下方正在打印的區域處在紅外加熱燈9的照射加熱范圍內，調節紅外加熱燈9功率，調節范圍為100-300W，保證射流在光伏電池半導體片15上形成的結構迅速固化成型，得到太陽能光伏電池電極16。所述的光伏電池電極線寬為30-60μm，高度為30-60μm，高寬比約為1。

使用具有加熱功能的運動平臺基板12加熱時，光伏電池電極16的圖案在打印的同時，光伏電池半導體片15與運動平臺基板12的溫度大致相同，調節數字溫控器設定的溫度，調節范圍為20-400℃，保證射流在光伏電池半導體片15上形成的結構迅速固化成型，得到太陽能光伏電池電極16。

本發明的有益效果為：采用電噴印方法制造的光伏電池電極結構，具有打印線寬小、高度大、高寬比大、材料利用率高等優勢。利用電場和熱場條件下的電噴印工藝打印出的光伏電池電極線寬為微米級，線寬可為幾十微米到上百微米，高度可達幾十微米，高寬比可達1以上。本發明提出了一種新型光伏電池電極的制造方法，優化了光伏電池電極結構，提高了電極材料的利用率，提高了光伏電池板的平面利用率，并將有利于提升光伏電池電極的電學性能，有利于提高光伏電池光電轉換效率，降低光伏電池制造成本。

附圖說明

圖1為光伏電池電極電噴印裝置簡圖；

圖2為光伏電池電極電噴印工藝過程簡圖；

圖中：1上位機，2相機，3注射泵，4注射器，5導電墨水，6噴頭，7噴頭夾具，8電壓控制器，9紅外加熱燈，10真空吸附裝置，11運動平臺，12運動平臺基板，13噴孔，14射流，15光伏電池半導體片，16光伏電池電極。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細說明本發明的具體實施方式。實施例的噴印設備主要由流體噴印模塊、運動模塊、顯微視覺模塊和控制模塊四部分組成。

所述的注射器4固定于注射泵3上方，注射器4內裝有導電墨水5，注射器4通過導管與噴頭6上端進口連接。噴頭6由導電材料制造，頭部加工有內徑100微米的噴孔13，并由噴頭夾具7定位夾緊。噴頭夾具7后端絕緣并固定在可以縱向移動的Z位移軸上；前端導電并夾緊噴頭6。電壓控制器8的輸出端連接在噴頭夾具7的右端。運動平臺11實現二維平面運動，上位機1控制其運動軌跡和運動速度。運動平臺基板12是平面度0.5微米的金屬厚板，通過絕緣螺釘與絕緣墊圈固定在運動平臺11上方，跟隨運動平臺11一起運動。在運動平臺基板12內加工氣道，氣道下方與真空吸附裝置10連接，氣道上方放置光伏電池半導體片15，由此可以用真空吸附裝置10吸附固定光伏電池半導體片15，使其跟隨運動平臺11一起運動。所述的相機2對準正在打印的區域，由USB數據線將其觀測數據傳輸給上位機1，由此可以通過上位機1上的實時監測軟件實時監測打印過程。所述的上位機1控制運動平臺11的運動軌跡和運動速度，控制噴孔13的打印高度，并監測相機2視野范圍內的打印過程。

實施例的具體實施步驟如下：

1)電場-熱場條件下的射流形成

在運動平臺基板12上放置氮化硅多晶鍍膜硅片15，開啟真空吸附裝置10將氮化硅多晶鍍膜硅片15固定。選用納米銀導電墨水為導電墨水5，其表面張力為30mN/m，粘度為3cP。通過注射泵3將導電墨水5注入噴頭6中，設定導電墨水5流量為1.5μl/min。調節噴孔13與氮化硅多晶鍍膜硅片15的間距為2mm，調節電壓控制器8輸出交流脈沖電壓，頻率50Hz，高壓為2000V，利用相機2觀測射流狀態，最終使噴孔13處的導電墨水5形成遠小于噴孔13尺寸的穩定射流14。

2)光伏電池電極結構的噴印制造

根據光伏電池電極16的形狀，編寫運動控制程序，由上位機1控制運動平臺11的運動軌跡和速度，在上位機1上設定運動平臺11的運動速度為10mm/s。啟動程序，運動平臺11隨即按照程序運動，在氮化硅多晶鍍膜硅片15上打印光伏電池電極16的圖案，所述的圖案的打印過程通過相機2和實時監測軟件監測，保證射流14的穩定性。

3)光伏電池電極結構的固化成型

使用紅外加熱燈9加熱時，光伏電池電極16的圖案在打印的同時，射流14下方正在打印的區域處在紅外加熱燈9的照射加熱范圍內，調節紅外加熱燈9功率為230W，使射流在氮化硅多晶鍍膜硅片15上噴印的結構迅速固化成型，得到光伏電池電極16。最終得到的光伏電池電極線寬為30-60μm，高度為30-60μm，高寬比約為1。

使用具有加熱功能的運動平臺基板12加熱時，光伏電池電極16的圖案在打印的同時，光伏電池半導體片15與運動平臺基板12的溫度大致相同，調節數字溫控器設定的溫度，調節范圍為20-400℃，保證射流在光伏電池半導體片15上形成的結構迅速固化成型，得到太陽能光伏電池電極16。

本發明提出太陽能光伏電池電極的電噴印制造方法。利用導電墨水5在電流體動力效應作用下在噴孔13處形成微米級穩定射流14，將導電墨水5噴印在光伏電池半導體片15上，并通過紅外加熱燈9加熱在光伏電池半導體片15上的電極結構，使電極結構迅速固化，形成微米級太陽能光伏電池電極結構。本發明優化了太陽能光伏電池電極結構，提高了電極材料的利用率，提高了太陽能光伏電池板的平面利用率，并將有利于提升太陽能光伏電池電極的電學性能，并可降低太陽能光伏電池制造成本。