一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池及其制备方法 (Solar cell with nano-scale line width grid electrode and preparation method thereof ) 是由 王峰 赵海琴 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池,包括衬底,所述衬底的受光面上方设置有透明增透层,所述透明增透层表面通过纳米压印技术制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区,所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道,所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联,所述网格电极沟道和电极窗口区内填充有金属材料的电极。利用纳米压印技术在透明增透层的表面纳米压印制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区,制作工艺简单,大大降低了制造成本,提高了生产效率。还可以有效的降低太阳能电池的正银浆料使用量,并且还提高了太阳能电池电流密度的均匀性,大大提高了太阳能电池的光电转换效率。(The invention discloses a solar cell with a grid electrode with a nanometer line width, which comprises a substrate, wherein a transparent antireflection layer is arranged above an illuminated surface of the substrate, grid electrode channels and electrode window areas with the nanometer line width are prepared on the surface of the transparent antireflection layer through a nanoimprint technology, the grid electrode channels comprise electrode channels which are distributed longitudinally and transversely and are interconnected at a certain interval, the grid electrode channels and the electrode window areas penetrate through the transparent antireflection layer and are interconnected, and electrodes made of metal materials are filled in the grid electrode channels and the electrode window areas. The grid electrode channel and the electrode window area with the nanometer line width are prepared on the surface of the transparent anti-reflection layer through nanoimprint lithography by utilizing the nanoimprint lithography technology, the manufacturing process is simple, the manufacturing cost is greatly reduced, and the production efficiency is improved. The usage amount of the front silver paste of the solar cell can be effectively reduced, the uniformity of the current density of the solar cell is improved, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is greatly improved.)
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体地涉及一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
如何提高太阳能电池组件的光电转换效率，如何减少制备电极所用银浆的使用量来降低电池片的制备成本，如何提高太阳能电池的寿命，已成为业界普遍遇到的技术瓶颈，业内许多研发人员为之付出不少努力。
在传统晶体硅太阳能电池中，银浆栅线电极被大量使用。通过丝网印刷和后续的高温（～800℃）退火得到银浆栅线电极。传统晶硅太阳能电池所用到的银浆栅电极是通过丝网印刷工艺制备的，丝网印刷所制备的银浆栅电极目前的工艺极限分辨率线宽尺寸在20um以上，再细就容易造成银浆栅电极印刷断线，这种20um以上线宽的大尺寸栅线电极对电池受光面造成了明显的阴影效应，增加了受光面因电极覆盖带来的受光面损耗；而且这些栅线间距很大，为了获得较好的导电性，电池表面发射极都采用了n++重掺杂，而造成表面发射极载流子复合概率明显增加，降低电池的短波吸收率，从而降低整个发射极的性能和电池的效率。单晶硅太阳能电池的理论效率上限值达～33%，而现有产业化电池效率约为16～25%，对电极的结构设计及其电极制备工艺的改进是现有产业化电池效率差别来源的主要原因。电极的结构设计还会影响到电池的功率密度和电性能，从而影响电池片的寿命。另外，银浆的过度使用也大幅地提高了电池制备成本。
公告号为CN 103367541 A的中国专利公开了一种基于光刻掩膜法和液相法制备太阳能电池银线网格电极的方法，包括：(1)制作光刻胶模板旋涂法将光刻胶均匀旋涂在硅衬底表面，经曝光，显影，坚膜等步骤后将掩膜板上设计好的特定图形复制到硅衬底上；(2)化学方法沉积Ag颗粒通过电化学反应的方法在光刻胶模板上沉积Ag颗粒；(3)去除光刻胶模板用光刻胶去膜剂去除光刻胶；(4)退火烧结排列紧密的Ag颗粒经过高温加热，互相连通形成Ag电极。该方法采用的是传统半导体芯片光刻工艺制程，采用常规涂胶-前烘-曝光-显影-漂洗-坚膜-沉积-去胶剥离工艺步骤，会用到光刻机设备，制造成本较高。制备的电极尺寸还停留在微米级的8um，光刻胶掩膜条纹线宽尺寸也停留在10um-20um的微米级，只是沉积用的银颗粒度尺寸达到1nm-10um之间，这个颗粒度尺寸和电极线宽尺寸没有关系，所以整个工艺制程线宽还是停留在微米级。
纳米压印技术业已相当成熟，但是，该技术主要应用于LED行业的纳米图形化蓝宝石衬底的制备上。而对于太阳能电池的纳米结构减反层的制备和纳米级线宽电极的制备，尚无任何技术提及采用纳米压印技术进行处理，尤其是纳米压印技术对于太阳能电池效率的提高和电极使用浆料的节省没有任何预见。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池及其制备方法，利用纳米压印技术在透明增透层的表面纳米压印制备纳米级线宽的网格电极沟道和正电极窗口区，制作工艺简单，纳米级线宽尺寸能够有效的降低太阳能电池的正银浆料使用量，大大降低了制造成本，提高了生产效率。通过纳米压印所制备的纳米级线宽网格电极还可以有效的提高太阳能电池电流密度的均匀性，从而提高电池片的可靠性和寿命。纳米级图形化减反结构提高了光量子吸收效率，纳米级线宽网格电极减少了受光面的电极覆盖损耗，两者都大大提高了太阳能电池的光电转换效率。
本发明的技术方案是：
一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池，包括衬底，所述衬底的受光面上方设置有透明增透层，所述透明增透层表面通过纳米压印技术制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区，所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联，所述网格电极沟道和电极窗口区内填充有金属材料的电极。
优选的技术方案中，所述网格电极沟道设置于中部，所述电极窗口区设置于边角，所述网格电极沟道垂直交错排布，所述网格电极沟道的线宽为200～500nm，所述电极窗口区由多条斜线排布的沟道组成，沟道的线宽为200～500nm，斜线排布的沟道组成的单个电极窗口区的长度为1-10mm。
优选的技术方案中，所述透明增透层的材质为氮化硅或二氧化硅。
优选的技术方案中，所述衬底的受光面设置有纳米级图形化减反结构，所述纳米级图形化减反结构通过纳米压印技术制备得到。
优选的技术方案中，所述纳米级图形化减反结构包括阵列分布的凸锥，所述凸锥的底宽为100～200纳米，凸锥的高度为100～150纳米，凸锥与凸锥的间距为100～200纳米。
本发明还公开了一种太阳能电池的纳米级线宽网格电极的制备方法，包括以下步骤：
S01：在衬底的受光面上方制备透明增透层；
S02：通过纳米压印技术在透明增透层表面制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区，所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联；
S03：在网格电极沟道和电极窗口区内填充金属材料作为电极。
优选的技术方案中，所述步骤S02中纳米压印技术包括：
S21：制备纳米压印模板，通过电子束曝光或者激光直写的方式制作纳米压印模板的图形化结构，所述图形化结构包括纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区，所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联；
S22：在透明增透层的表面涂覆感光胶；
S23：通过纳米压印模板压印涂覆在透明增透层上的感光胶，然后对感光胶进行紫外光固化，脱模后，所述透明增透层上带有未被感光胶覆盖的纳米图形；
S24：利用干法刻蚀对透明增透层上未覆盖感光胶的区域进行刻蚀，刻蚀贯穿透明增透层，去胶后得到纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区。
优选的技术方案中，所述步骤S03中填充电极的方法包括：
S31：将电极浆料喷涂涂覆在透明增透层的表面；
S32：通过刮刀将电极浆料刮入至网格电极沟道和电极窗口区内并一次成型，所述刮刀的刀面为橡胶刀面，所述橡胶刀面与透明增透层表面紧贴。
本发明又一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池的制备方法，采用上述任一项所述太阳能电池的纳米级线宽网格电极的制备方法制备得到纳米级线宽网格电极，在制备纳米级线宽网格电极之前还包括以下步骤：
S001：在衬底的受光面通过纳米压印技术制备得到纳米级图形化减反结构，所述纳米级图形化减反结构包括阵列分布的凸锥，所述凸锥的底宽为100～200纳米，凸锥的高度为100～150纳米，凸锥与凸锥的间距为100～200纳米；
S002：通过扩散工艺在所述衬底的受光面形成扩散层，所述扩散层与衬底形成PN结；
S003：在扩散层上方沉积制备透明增透层。
优选的技术方案中，所述步骤S001中纳米压印技术制备得到纳米级图形化减反结构的方法包括：
S111：制备纳米压印模板，通过电子束曝光或者激光直写的方式制作纳米压印模板的图形化结构，所述图形化结构包括阵列分布的凸锥所形成的图案；
S112：在衬底的受光面涂覆感光胶；
S113：通过纳米压印模板压印涂覆在在衬底的受光面上的感光胶，然后对感光胶进行紫外光固化，脱模后，所述在衬底的受光面上带有未被感光胶覆盖的纳米图形；
S114：利用干法刻蚀对在衬底的受光面上未覆盖感光胶的区域进行刻蚀，刻蚀深度在100～150纳米之间，去胶后，得到图形化减反结构，所述图形化减反结构包括阵列分布的凸锥，所述凸锥的底宽为100～200纳米，凸锥的高度为100～150纳米，凸锥与凸锥的间距为100～200纳米。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明利用纳米压印技术在透明增透层的表面纳米压印制备纳米级线宽的网格电极沟道和正电极窗口区，再通过刮刀将银浆刮入纳米级线宽的网格电极沟道和正电极窗口区内，从而制备出纳米级线宽网格电极和正电极，本发明所制备的纳米级线宽网格电极和正电极可以取代传统的丝网印刷制备正银栅电极和正银电极的工艺，制作工艺简单，大大降低了制造成本，提高了生产效率。适合大规模生产，有助于新能源的开发，可广泛应用于节能环保领域。
2、本发明纳米压印技术直接制备的纳米级线宽网格电极，电极线条线宽尺寸在200-500nm之间，真正实现了纳米级，纳米级线宽网格电极较传统微米级栅电极线宽更细更加节省浆料，能够有效的降低太阳能电池的生产成本。
3、纳米级线宽网格电极线宽由于更细，因电极覆盖带来的受光面积损耗变小了，增加了受光面积，能够大大提高光电转换效率高；经纬交错的纳米级线宽网格电极能够保障电流密度更加均匀，避免局部电流过大而引起的可靠性问题，提高电池片的可靠性及寿命。
4、利用纳米压印技术取代传统制绒工艺图形化处理P型掺杂衬底片表面，通过对P型掺杂半导体衬底片表面粗化结构的改进，制备出纳米级图形化减反结构，纳米级图形化减反结构为规则化呈阵列排布的凸锥型，使得电池片更加有效的减小入射光全反射，从而进一步提高光量子吸收效率。传统制绒工艺制备的制绒面结构是杂乱无规则的，绒面粗糙度在微米级，反射率更高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明较佳实施例的具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明呈垂直交错的网格电极沟道和电极窗口区的互联示意图；
图3为本发明纳米级图形化减反结构的结构示意图；
图4为本发明太阳能电池的纳米级线宽网格电极的制备方法流程图；
图5为本发明纳米压印技术制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1所示，一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池，包括衬底1，衬底1的受光面10上方设置有透明增透层4，透明增透层4表面通过纳米压印技术制备纳米级线宽的网格电极沟道5和电极窗口区6。
网格电极沟道5包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，具体的如图2所示，包括经线电极沟道11和纬线电极沟道12，电极窗口区6一般设置在边上或者角上，图2中的电极窗口区6设置在四个角上，网格电极沟道5和电极窗口区6贯穿透明增透层4与太阳能电池的PN结接触，并且网格电极沟道5和电极窗口区6互联，网格电极沟道5和电极窗口区6内填充有金属材料的电极，形成纳米级线宽网格电极7和正银电极8。
衬底1一般为P型掺杂的半导体衬底，可以为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉、锑化镉等材料中的一种。
透明增透层4的材质为氮化硅或二氧化硅。
一较佳的实现案例中，如图2所示，网格电极沟道5设置于中部，电极窗口区6设置于边角，网格电极沟道5的电极沟道按照一定间距呈经纬分布并垂直交错互联，网格电极沟道5的线宽为纳米级线宽，尺寸为200～500nm。电极窗口区6由多条密集斜线排布的沟道所组成，沟道的线宽尺寸同样为200～500nm，斜线排布的沟道组成的单个电极窗口区的长度为1-10mm，较佳的，单个电极窗口区的面积尺寸为5mm*5mm，每片太阳能电池片拥有4个电极窗口区6，电极窗口区6设置在四个角上。
网格电极沟道5和电极窗口区6内填充的金属材料选用具有导电性较好的银浆、铝浆中的一种或多种合成材料，优先的选用银浆。银浆料包括纳米玻璃粉、纳米银颗粒和有机溶剂。
经线电极沟道11与经线电极沟道11，经线电极沟道11与纬线电极沟道12，纬线电极沟道12与纬线电极沟道12之间的间距为0.1～0.5mm，它们之间的间距可以相等，也可以不相等。
一较佳的实施例中，衬底1的受光面10设置有纳米级图形化减反结构2，纳米级图形化减反结构2通过纳米压印技术制备得到。该纳米级图形化减反结构2取代传统制绒工艺制备的制绒面，传统制绒工艺制备的制绒面结构是杂乱无规则的，而且制绒面的表面粗糙度在微米级，对减少太阳光的反射无法精准控制，反射率较高。绒面结构也有规则的长方体结构，但是该结构还是会造成一定程度的全反射。一较佳的实例，如图3所示，纳米级图形化减反结构2包括阵列分布的凸锥20，凸锥20的底宽为100～200纳米，凸锥20的高度为100～150纳米，凸锥20与凸锥20的间距为100～200纳米。该结构可以有效的吸纳入射光，不仅解决了全反射问题，而且凸锥形状还增加了受光面的表面积，受光面积大了进一步提高了光量子吸收效率。
如图2所示，该太阳能电池还包括，衬底1受光面形成的扩散层3，一般的为N型扩散层，厚度范围在0.3～0.5微米，从而形成太阳能电池的PN结。透明增透层4形成在N型扩散层3上。衬底1的背面还设置有背银电极9，背银电极9选用的材料为具有导电性较好的银浆、铝浆中的一种或多种合成材料，优先的选用银浆，所述电极的厚度为10～20微米。
另一实施例中，如图4所示，本发明还公开了一种太阳能电池的纳米级线宽网格电极的制备方法，包括以下步骤：
S01：在衬底的受光面上方制备透明增透层；
S02：通过纳米压印技术在透明增透层表面制备纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区，所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联；
S03：在网格电极沟道和电极窗口区内填充金属材料作为电极。
步骤S01中在衬底的受光面上方制备透明增透层的方法可以为化学气相沉积（PECVD）的方法。透明增透层一方面起到保护太阳能电池PN结表面的作用，提高电池的可靠性，另一方面起到入射光增透的效果，透明增透层的材质为透明的氮化硅或二氧化硅的一种，透明增透层的厚度在1～3微米。
本发明所制备的网格电极具有预成型的沟道，表面呈网格分布的纳米级线宽网格电极沟道和正电极窗口区是一个固定不变的版图，浆料通过刮刀刮入沟道内之后不易塌陷外溢，线宽精度高且可以达到纳米级线宽尺寸。
一较佳的实施例中，如图5所示，步骤S02中纳米压印技术包括：
S21：制备纳米压印模板，通过电子束曝光或者激光直写的方式制作纳米压印模板的图形化结构，所述图形化结构包括纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区，所述网格电极沟道包括按照一定间距呈经纬分布并互联的电极沟道，所述网格电极沟道和电极窗口区贯穿透明增透层并互联；
S22：在透明增透层的表面涂覆感光胶；
S23：通过纳米压印模板压印涂覆在透明增透层上的感光胶，然后对感光胶进行紫外光固化，脱模后，所述透明增透层上带有未被感光胶覆盖的纳米图形；
S24：利用干法刻蚀对透明增透层上未覆盖感光胶的区域进行刻蚀，刻蚀贯穿透明增透层，去胶后得到纳米级线宽的网格电极沟道和电极窗口区。
其中，纳米压印模板由石英或者蓝宝石材质制成。
感光胶的涂覆方式可以是旋涂或者喷涂的一种。
步骤S24的干法刻蚀可以为ICP干法刻蚀。
一较佳的实施例中，步骤S03中填充电极的方法包括：
S31：将电极浆料喷涂涂覆在透明增透层的表面；
S32：通过刮刀将电极浆料刮入至网格电极沟道和电极窗口区内并一次成型，形成纳米级线宽网格电极7和正银电极8，刮刀的刀面为橡胶刀面，橡胶刀面与透明增透层表面紧贴。
电极浆料每次喷涂的量是根据太阳能电池片纳米级线宽网格电极沟道的排布密度决定的，排布越密，所设置的用量就越多。
需要说明的是：刮刀的刀面是由材质较软的橡胶材质制成的，是一种易耗品，具有一定的使用寿命，刮刀尺寸宽度大于太阳能电池片的外观宽度。刮刀可以由机器控制，与透明增透层表面无缝紧贴，为了防止网格电极沟道内的电极浆料黏连，可以在橡胶刀面涂覆有机溶剂。
纳米级线宽网格电极7和正银电极8的厚度与透明增透膜的厚度一样，同样为1～3微米。
另一实施例中，本发明又一种具有纳米级线宽网格电极的太阳能电池的制备方法，采用上述任一项所述太阳能电池的纳米级线宽网格电极的制备方法制备得到纳米级线宽网格电极。具体的太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
S001：选用P型掺杂半导体衬底1作为太阳能电池的基板，P型掺杂半导体衬底1为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉、锑化镉等材料中的一种，优先的选用单晶硅材料作为太阳能电池的基板。在衬底的受光面通过纳米压印技术制备得到纳米级图形化减反结构，所述纳米级图形化减反结构包括阵列分布的凸锥，所述凸锥的底宽为100～200纳米，凸锥的高度为100～150纳米，凸锥与凸锥的间距为100～200纳米；
S002：通过扩散工艺在所述衬底的受光面形成扩散层，所述扩散层与衬底形成PN结；具体的，通过磷扩散工艺对P型掺杂半导体衬底的正面进行磷扩散，在P型掺杂半导体衬底的正面形成一定厚度的N型扩散层，N型扩散层3的厚度范围在0.3～0.5微米，从而形成太阳能电池的PN结。
S003：在扩散层上方沉积制备透明增透层。具体的，用化学气相沉积（PECVD）的方法在N型扩散层的上方沉积制备透明增透层，透明增透层的材质为透明的氮化硅或二氧化硅的一种，增透层的厚度在1～3微米。
然后，通过纳米压印技术在透明增透层的表面纳米压印制备纳米级线宽网格电极沟道和电极窗口区。具体步骤在上面有描述，在此不再赘述。
然后，在衬底的背面通过丝网印刷工艺制备背银电极9，背银电极9选用的材料为具有导电性较好的银浆、铝浆中的一种或多种合成材料，优先的选用银浆，背银电极的厚度为10～20微米。
最后，将太阳能电池片送入烧结炉内烧结，使电极与PN结之间形成欧姆接触，欧姆接触的烧结温度在800～1000℃。
一较佳的实施例中，步骤S001中纳米压印技术制备得到纳米级图形化减反结构的方法包括：
S111：制备纳米压印模板，通过电子束曝光或者激光直写的方式制作纳米压印模板的图形化结构，所述图形化结构包括阵列分布的凸锥所形成的图案；具体的，纳米压印模板由石英或者蓝宝石材质制成。
S112：在衬底的受光面涂覆感光胶；具体的，感光胶可以为UV感光胶，UV感光胶的涂覆方式可以是旋涂或者喷涂的一种。
S113：通过纳米压印模板压印涂覆在在衬底的受光面上的感光胶，然后对感光胶进行紫外光固化，UV感光胶固化后脱模，脱模后，所述在衬底的受光面上带有未被感光胶覆盖的纳米图形；所用的固化时间由UV感光胶的涂覆量和感光性质决定。
S114：利用干法刻蚀对在衬底的受光面上未覆盖感光胶的区域进行刻蚀，刻蚀深度在100～150纳米之间，去胶后，得到纳米级图形化减反结构，所述纳米级图形化减反结构包括阵列分布的凸锥，所述凸锥的底宽为100～200纳米，凸锥的高度为100～150纳米，凸锥与凸锥的间距为100～200纳米。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
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