丝网印刷网版对太阳电池片细栅线高度及电池性能的影响研究

0 引言

太阳电池是低电压高电流的发电器件，串联电阻是影响太阳电池填充因子和短路电流，进而影响光电转化效率的重要因素之一。因此减少电池的串联电阻非常重要，串联电阻由金属电极的电阻、金属-半导体接触电阻、发射区薄层电阻和基区电阻等组成。工业化生产的晶体硅太阳电池通常采用丝网印刷烧结银导体作为上电极[1] 。太阳电池的受光面积与光生载流子数量成正比，所以在印刷正面银栅线时要综合考虑银栅线电阻、银硅接触电阻与太阳电池片受光面积等因素。这就要求印刷银栅线宽度一定时要尽量提高栅线高度，以减少金属导线的电阻。本文通过研究不同规格网版印刷电池片栅线高度差异及对电性参数的影响等，以提高太阳电池的转化效率。

1 太阳电池片栅线高度影响因素实验验证

实验固定印刷机器，使用不同规格网版印刷，每2 h测量一次细栅线宽度、高度、称取一次湿重，统计各规格网版印刷电池片的细栅线度、宽度、湿重及电性能变化情况。网版规格如表1所示。

表1 网版规格

实验一网版细栅线较宽，印刷银栅线时有更好的堆砌性；实验二网版贴膜厚度较高，印刷银栅线时有更好的塑型效果；实验三网版网布目数较大丝径较小，印刷银栅线时透墨效果与实验一、二不同。

每块实验网版使用12 h，测试线高结果如图1所示。

表2为电性参数，数据为实验数据减去3个实验平均数据，重点关注趋势。△Voc表示实验数据减去3个实验平均数据的电压差值；△Isc表示实验数据减去3个实验平均数据电流差值；△FF表示实验数据减去3个实验平均数据的填充因子差值；△Eta表示实验数据减去3个实验平均数据的效率差值；△Rsh表示实验数据减去3个实验平均数据的并联电阻差值；△Rs表示实验数据减去3个实验平均数据的串联电阻差值。

表2 电性参数表

由表2知，实验二印刷太阳电池片的银细栅线高度要明显高于实验一、三，即网版贴膜厚度对印刷银细栅线高度影响较大。图2为基恩士测量3种网版印刷电池片的微观三维图。

图3为太阳电池测试的I-V曲线示意图。其中：Uoc为开路电压，Isc为短路电流；FF=UmppImpp/(UocIsc)(Umpp为最大输出功率电压，Impp为最大输出功率电流)；Rsh是I-V曲线在亮场正向(第一象限)与暗场反向(第二象限，即Q2区域)交界处的斜率，如Rshuntlf标示位置；Rs是I-V曲线在亮场正向与暗场正向(第三象限，即Q3区域)交界处的斜率，如Rser4标示位置；Eta=UmppImpp/Pin×S，Pin为入射光的光强，S为太阳电池片的面积。

实验一细栅线宽度较大，栅线整体面积与电池片整体面积较大，遮光面积较大会影响光生载流子数量，进而影响短路电流。实验二线高较高，在Isc、Uoc方面有优势，整体Eta要高于实验一、三；实验三网版网布与实验一、二不同，印刷时透墨量有差异，且网版目数较多，印刷银栅线线条平滑度稍差，影响FF，整体Eta也不高。

2 网版窄线宽情况下不同膜厚实验验证

由上述实验结果可知，在网版细栅线宽度一定情况下，膜厚较高则栅线高度较高，电池片转化效率有一定优势；但在网版窄线宽情况下，提高网版膜厚电池片转化效率是否仍有优势？网版其他参数固定，网版规格见表3。

表3 网版规格

实验固定在一条多晶印刷产线，连续使用实验网版和对比网版，每套网版使用时间为8 h(约10 000片)，测试印刷电池片细栅高度情况并对比电性参数。

如图4所示，实验网版测试细栅线平均高度为21.36 μm，线条整体高低起伏，平均高度略高。对比网版测试细栅线平均高度为19.77 μm，线条整体较平滑，平均高度略低。表4为两种网版印刷电池片电性能对比分析情况。

图4 两种网版基恩士测试线高情况三维图

表4 两种网版印刷电池片电性能对比分析情况

注：数据为实验数据减去2个实验平均数据，重点关注趋势

从实验数据来看，在网版高膜厚条件下继续减小细栅线宽度，印刷效果会明显变差，线条不再平滑有型，而是高低起伏。这是因为网版的透墨性和网版细栅线宽度呈反比关系，细栅线宽度越大透墨量越大，反之则越小。高膜厚窄线宽时透墨量在同一线条上已不均匀，所以会出现图4中实验网版印刷电池片线条高低起伏的情况。

结合实验网版与对比网版的结果可知，窄线宽情况下的膜厚高低变化对整体印刷线条高度的影响明显减弱，且高低起伏的线条直接影响到串联电阻。图5是两种网版印刷情况的示意图。

图5 两种网版印刷情况示意图

电性参数方面，实验网版的Isc仍略高于对比网版，但由于印刷线条缺陷Rs高于对比网版。10 000片电池片数据的Rs分布情况显示，对比网版的Rs分布比实验网版集中，波动较小，整体平均值较低，Rs的升高对FF有一定影响。所以实验网版电池片的电能参数FF降低，整体来看，电池片转化效率无优势。

两种网版Rs分布情况如图6所示。实验表明，在网版细栅线较窄情况下，网版贴膜厚度不宜过大，否则会影响网版透墨量导致印刷线条高低起伏，不利于Rs降低。虽然Isc略有优势，但FF降低，因此电池片的转化效率方面没有优势。

图6 两种网版Rs分布情况

3结论与应用

规模化生产条件下，对几种规格网版印刷效果进行测验，从微观方面探究网版对银栅线宽度和线高的影响，找出造成电性能差异的原因，为提高太阳电池片的转化效率提供数据支持。

两次实验结果表明，网版贴膜厚度对印刷后银栅线高度影响最大。网版各种参数一定时，提高膜厚，印刷后细栅线高度提高，串阻变小，相对应的电池片转化效率也提高。在窄线宽工艺条件下，网版贴膜需控制在一定厚度，厚度过低影响印刷细栅线高度，不利于电池片转化效率；厚度过高影响网版透墨性，印刷电池片线条高低起伏不利于降低Rs，从而影响电池片的转化效率。

实际生产过程中要综合考虑电池片工艺类型、印刷品质等问题，要尽可能提高细栅线高度，降低细栅线宽度，以提高电池的转化效率。这样选择匹配的网版细栅线宽度和网版贴膜厚度意义重大。