一种双面电池背面电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于背面电极技术领域，更具体地说，涉及一种双面电池背面电极及其制备方法和应用。

背景技术

双面太阳能电池由于仅需对现有的电池及组件生产线进行少量改动即可进行生产，且可以比单面电池组件产品增加5％-25％的系统发电收益，从而使得双面电池技术逐步成为目前晶硅电池的主流技术，并已大规模推广应用。

背面电极的设计交织着双面电池的双面率、载流子收集、浆料耗量、组件焊接等因素的优化、约束和妥协。目前，MBB双面电池的背电极结构如图1所示，整个背面电极由均匀、平行分布的副栅和主栅构成，副栅与主栅之间垂直连接，构成所谓的H型图案。副栅往往用铝浆形成，采用铝副栅2代替单面电池的全覆盖铝层，且铝副栅2通过激光开槽与硅基体相连，实现基体区电流的收集，然后传输到主栅上；主栅区一般由铝主栅1和银电极3组成，铝主栅1直接与铝副栅2相连接，汇集副栅收集的电流，然后再传输到银电极3上，实现电流导出。目前背电极图形设计一般采用6分段的银电极，与银电极直接相连接的铝主栅采用环型设计(即环型铝主栅102)，连接两个银电极3之间的铝主栅(即铝细主栅101)采用直通设计。

也就是说，整个背面电极收集的电流，会先经过横向均匀分布的副栅横向传输到铝主栅上，然后经过垂直纵向均匀分布的铝主栅纵向传输到银电极导出。但由于铝的电阻率远大于银的电阻率，为满足电流传输要求，铝主栅宽度往往设计在1mm以上。同时为了兼顾双面率的要求，铝主栅和铝副栅需要同正面电极一样，有更窄的电极宽度和更高的电极高度，即高宽比尽量越大。这样一方面对双面率的提升、铝浆的性能要求等都提出了更高的挑战，另一方面，过高的铝电极设计会引起诸如组件焊接等良率和产品可靠性问题，需要进一步调整背面设计来兼顾此问题。目前，现有技术中通常是在背银电极和铝电极之间隔离1.5mm以上的间距，即预留一个空白隔离区4(如图2所示)，从而降低上述高度差的影响。但空白隔离区4的存在又会导致银电极的分段数量受到较大限制，影响背面电流收集效果及电池的转换效率。

针对以上问题，专利CN107331735B公布了一种具有背面银栅线的双面PERC太阳电池的制作方法，该申请案通过在铝栅线上制备凹槽，并在凹槽中用银栅线替代原本的铝栅线，从而整体降低了电阻率，在提升电池填充因子的同时，降低了背面遮光面积。但背面电极采用银栅线的方式，会显著增加制造成本，从而不能得到批量推广。

由此可见，如何在进一步提升PERC电池转换效率的同时确保组件品质和可靠性，成为太阳能电池技术持续要解决的难点问题。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有MBB双面电池的H型背面电极结构设计难以同时满足双面率、电流收集效果与组件可靠性的要求的不足，提供了一种双面电池背面电极及其制备方法和应用。本发明通过对背面电极的结构进行优化设计，采用发散型的铝主栅结构，从而可以有效解决上述问题，在提升PERC电池转换效率的同时确保组件品质和可靠性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种双面电池背面电极，包括铝主栅和铝副栅，所述铝主栅由铝细主栅和环型铝主栅连接而成，其中环型铝主栅沿铝主栅的长度方向间隔分布，且所有环型铝主栅的两端均设有向外发散的铝细主栅。

更进一步的，位于环型铝主栅同一端的铝细主栅由相对于环型铝主栅端部向外发散的两条铝细主栅组成。

更进一步的，相邻环型铝主栅之间的铝细主栅相互连接形成平行四边形结构。

更进一步的，所述铝细主栅和环型铝主栅的两侧均连接有铝副栅。

更进一步的，所述环型铝主栅的两侧及铝细主栅的外侧均连接有水平分布的横向铝副栅，铝细主栅的内侧连接有竖直分布的纵向铝副栅。

更进一步的，所述铝副栅的宽度为60μm-200μm，且相邻横向铝副栅以及相邻纵向铝副栅的间距均为0.8-1.5mm。

更进一步的，所述铝副栅的宽度为130μm，且相邻横向铝副栅以及相邻纵向铝副栅的间距均为1.15mm。

更进一步的，所述环型铝主栅的内部均设有背银电极，且其内环宽度小于背银电极的宽度，同一条主栅上背银电极的分段数量为8-50个。

更进一步的，单个背银电极的宽度为1.2-2.2mm，长度为1.5-5.5mm；环型铝主栅的环型宽度为0.1-1mm，内环宽度为1-2.1mm。

更进一步的，同一条主栅上背银电极的分段数量为12个，单个背银电极的宽度为2.1mm，长度为2.7mm；环型铝主栅的环型宽度为0.4mm，内环宽度为1.9mm。

更进一步的，所述铝主栅的条数大于等于9条，且各铝主栅依次并列分布。

更进一步的，所述铝细主栅采用竹节渐变结构。

更进一步的，所述铝细主栅相邻竹节之间的渐变规格为0.06-1.0mm。

更进一步的，所述铝细主栅采用0.4mm/0.35mm/0.13mm的三级竹节渐变规格。

其二，本发明的双面电池背面电极的制备方法，在背面电极的铝副栅区和铝细主栅区对应位置进行激光开槽，银电极区和环型铝主栅区不进行激光开槽，然后采用丝网印刷方式分别制备铝电极和背银电极。

更进一步的，银电极区和环型铝主栅区对应的非开槽区为长方形，其宽度为3.1mm，长度为5mm。

更进一步的，采用丝网印刷方式制备铝电极时，网板规格为：网版目数300-400目、线径12-20μm、纱厚20-30μm、膜厚15-25μm。

其三，本发明的背面电极在MBB双面电池中的应用。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种双面电池背面电极，采用发散型铝电极的设计，改变了现有横向+纵向的电流传输方式，有效缩短了电流收集路径，提高了收集效果，相同铝副栅设计线宽条件下，遮光面积可以降低1.3％。

(2)本发明的一种双面电池背面电极，位于环型铝主栅同一端的铝细主栅由相对于环型铝主栅端部向外发散的两条铝细主栅组成，且环型铝主栅的两侧及铝细主栅的外侧均连接有水平分布的横向铝副栅，铝细主栅的内侧连接有竖直分布的纵向铝副栅，从而有利于进一步缩短电流收集路径，提高收集效果。

(3)本发明的一种双面电池背面电极，通过背面电极的结构设计，可以在保证双面率(遮光面积)和收集效果一定的条件下，适当增加铝副栅线宽，并降低铝电极高度，从而消除和降低因高宽比(高度差)引起的局限，实现收集空白区的缩小和多银电极路线，同时消除了因高度差引起的组件可靠性问题。

(4)本发明的一种双面电池背面电极，通过结构优化，可以使同一条主栅上背银电极的分段数量增加至8-50，从而有效提高了电池片的光电转换效率。

(5)本发明的一种双面电池背面电极的制备方法，采用本发明的工艺路线，可以在对背面遮光面积、浆浆耗量和组件焊接等性能无负面影响的情况下，实现背面电极对载流子收集效果的大幅提升，实现PERC电池片光电转换效率0.1％以上的提升。

(6)将本发明的背面电极应用于MBB双面电池，大幅缩小了铝主栅和银电极之间的隔离收集空白区，提升了背面电极对载流子收集效果的改善，从而提升了电池片的转换效率，同时打破了多分段设计的限制，能够对大尺寸电池的设计推广提供更大优化空间。

附图说明

图1为目前MBB背面电极(6分段)的结构示意图；

图2为目前MBB背面电极电极区的放大示意图；

图3为本发明的双面电池背面电极的结构示意图；

图4为本发明的背面电极电极区的放大示意图；

图5为本发明的背面电极激光开槽图形；

图6为本发明的双面电池的切面示意图。

图中：1、铝主栅；101、铝细主栅；102、环型铝主栅；2、铝副栅；201、横向铝副栅；2011、第一横向铝副栅；2012、第二横向铝副栅；202、纵向铝副栅；2021、第一纵向铝副栅；2022、第二纵向铝副栅；3、背银电极；4、空白隔离区；5、非开槽区；6、激光开槽区；7、硅片基体；8、正面发射极；801、重掺杂区；802、浅掺杂区；9、正面氧化层；10、钝化及减反射层；11、正电极；12、背面钝化层；13、背面激光开槽。

具体实施方式

针对目前双面电池H型背面电极结构设计存在的不足，本发明通过发散型铝电极的设计，改变了现有横向+纵向的电流传输方式，从而有效缩短了电流收集路径，提高了收集效果。同时在保证双面率(遮光面积)和收集效果一定的条件下，通过适当增加铝副栅线宽，并降低铝电极高度，可以消除和降低因高宽比(高度差)引起的问题，打破了多分段设计的限制，进而提高了电池片的光电转换效率。

具体的，本发明的背面电极图形采用多主栅(大于等于9条)及多分段的设计，该主栅为铝主栅，且各条主栅平行间隔分布。所述铝主栅1由铝细主栅101和环型铝主栅102构成，其中环型铝主栅102沿铝主栅1的长度方向间隔分布，背银电极3位于环型铝主栅102的内部并与环型铝主栅102电接触。所有环型铝主栅102的两端均设有相对于其发散设置的铝细主栅101，即相邻环型铝主栅102之间通过铝细主栅101相连，且环型铝主栅102及铝细主栅101的两侧均连接有铝副栅2。

本发明通过上述结构设计，有效缩短了银电极与铝主栅之间空白隔离区的大小，可以使单条背面电极主栅上背银电极3的分段数量由目前的6个增加到8-50个，同时，单个背银电极3的宽度为1.2-2.2mm，长度为1.5-5.5mm，以此维持总的银电极面积基本不变。通过背银电极数量的大幅增加，提升了背面载流子的收集效果，从而提升转换效率。其中，优选背银电极采用12分段，宽度为2.1mm，长度为2.7mm。

进一步优化的，如图3、图4所示，本发明中位于环型铝主栅102同一端的铝细主栅101由相对于环型铝主栅102端部向外发散的两条铝细主栅101组成(优选为铝细主栅101连接于环型铝主栅102的两个端角)，相邻环型铝主栅102之间的铝细主栅101相互连接形成平行四边形结构。进一步优化的，所述环型铝主栅102的两侧及铝细主栅101的外侧均连接有水平分布的横向铝副栅201(第一横向铝副栅2011、第二横向铝副栅2012)，铝细主栅101的内侧连接有竖直分布的纵向铝副栅202(第一纵向铝副栅2021、第二纵向铝副栅2022)，铝副栅2的宽度为60μm-200μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为0.8-1.5mm，当铝副栅2的宽度为130μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距相等为1.15mm时效果最好。

其中，铝副栅2和铝细主栅101对应位置进行激光开槽(图5中激光开槽区6)，而银电极区和环型铝主栅区不进行激光开槽，此非开槽区5的规格随银电极的设计规格而定，该非开槽区优选长方形，宽度3.1mm，长度5mm。铝副栅2通过激光开槽与硅基体相连，实现基体区电流的收集，然后传输到铝细主栅101，经过铝细主101传输到环型铝主栅102上或者由铝副栅2直接传输到环型铝主栅102，最后传输到背银电极3实现电流导出。

为更好地理解本发明，下面结合部分具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例的双面电池，其背面电极包括铝主栅1和铝副栅2，其中铝主栅1的数量为9条，铝主栅1上设有沿其长度方向间隔分布的环型铝主栅102，且所有环型铝主栅102的两端均设有两条向外发散设计的铝细主栅101。所述环型铝主栅102的两侧及铝细主栅101的外侧均连接有水平分布的横向铝副栅201，铝细主栅101的内侧连接有竖直分布的纵向铝副栅202，铝副栅2的宽度为100μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为1.00mm。

上述环型铝主栅102的内部均设有背银电极3，本实施例中同一条主栅上背银电极3的分段数量为12，其宽度为2.1mm，长度为2.7mm，环型铝主栅102采用长方形结构，其环型宽度为0.4mm，内环宽度为1.9mm(小于银电极宽度，从而实现与银电极的连接)，内环长度为4.2mm。本实施例中铝细主栅采用0.4mm/0.35mm/0.13mm的三级竹节渐变结构(距离环型铝主栅102的端部越远，铝细主栅越细)。

本实施例的双面电池的制备方法，包括以下工艺步骤：

1、制绒：采用单晶P型硅片作为硅片基体7，用碱进行正面和背面制绒形成绒面结构。

2、扩散：将制绒后硅片，用三氯氧磷和硅片在高温下进行反应，使正面扩散形成PN发射结(正面发射极8)，扩散后正表面薄层的方块电阻为160Ω/□之间。

3、激光SE：利用扩散后的磷硅玻璃为磷源，在扩散后硅片的正面且对应正电极栅线的金属化区域进行激光掺杂，形成重掺杂区801，从而在硅片正面实现选择发射极的结构(重掺杂区801和浅掺杂区802)，重掺杂区的方块电阻为60Ω/□之间。

4、热氧：将激光SE后硅片通氧进行氧化。

5、去PSG：将热氧化后硅片，用HF去除背面及周边PSG。

6、碱抛：将去PSG后的硅片进行背面和边缘抛光，正面去PSG。

7、氧化退火：将碱抛后的硅片进行氧化及退火处理，形成正面氧化层9。

8、背面沉积钝化膜：在退火后的硅片背面制备钝化膜，即背面钝化层12。

9、正面沉积减反膜：在硅片的正面制备钝化及减反射层10。

10、背面激光：采用与铝电极对应的发散型激光开槽图形，在背面电极的铝副栅区和铝细主栅区对应位置处进行激光开槽，形成背面激光开槽13，而银电极区和环型铝主栅区不进行激光开槽，该非开槽区选用长方形，宽度3.1mm，长度5mm(图5)。

11、背银电极制备：采用丝网印刷方式，先在硅片背面对应位置制备银电极3，背银选用光达GB21银浆。

12、背铝电极制备：采用本实施例的背面铝电极图案，通过丝网印刷方式和高精度相机抓拍激光MARK点的对位方式制备电极，网板规格采用低纱厚、低膜厚网板，优选网版目数360目、线径16μm、纱厚22μm、膜厚20μm，铝浆采用儒兴RX8401E-9B双面铝浆。

13、正电极主栅区印刷：采用正银浆料，在印刷了背面电极的硅片上丝网印刷制备正电极11。

14、烧结：将印刷正面电极的硅片进行共烧结，烧结峰值温度750℃

15、电注入：将烧结后的电池片进行电注入处理。

16、成品：将产品电池片测试、分选、包装入库。

所得电池结构如图6所示，采用本实施例的技术路线，可以在对背面遮光面积、浆浆耗量和组件焊接等性能无负面影响的情况下，实现背面电极对载流子收集效果的大幅提升，实现PERC电池片光电转换效率0.13％的提升。

实施例2

本实施例的双面电池，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中铝主栅1的条数为11条，铝副栅2的宽度为60μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为0.8mm。本实施例中同一条主栅上背银电极3的分段数量为8，其宽度为1.2mm，长度为5.4mm，环型铝主栅102的环型宽度为0.6mm，内环宽度为1.0mm，内环长度为5.8mm。铝细主栅采用0.5mm/0.42mm/0.10mm的三级竹节渐变结构。

本实施例的双面电池的制备方法，其工艺操作基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中经扩散后正表面薄层的方块电阻为120Ω/□之间，重掺杂区的方块电阻为30Ω/□之间。背面激光的非开槽区宽度2.5mm，长度6.2mm(图5)。背铝电极印刷时的网板目数360目、线径16μm、纱厚26μm、膜厚20μm；烧结温度为720℃。采用本实施例的技术路线，可以在对背面遮光面积、浆浆耗量和组件焊接等性能无负面影响的情况下，实现背面电极对载流子收集效果的大幅提升，实现PERC电池片光电转换效率0.15％的提升。

实施例3

本实施例的双面电池，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中铝主栅1的条数为15条，铝副栅2的宽度为200μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为1.5mm。本实施例中同一条主栅上背银电极3的分段数量为14，其宽度为1.8mm，长度为3.5mm，环型铝主栅102的环型宽度为0.5mm，内环宽度为1.6mm，内环长度为4.2mm。铝细主栅采用0.8mm/0.55mm/0.22mm的三级竹节渐变结构。

本实施例的双面电池的制备方法，其工艺操作基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中经扩散后正表面薄层的方块电阻为200Ω/□之间，重掺杂区的方块电阻为90Ω/□之间。背面激光的非开槽区宽度2.4mm，长度5.3mm(图5)。背铝电极印刷时的网板目数325目、线径16μm、纱厚26μm、膜厚20μm；烧结温度为800℃。采用本实施例的技术路线，可以在对背面遮光面积、浆浆耗量和组件焊接等性能无负面影响的情况下，实现背面电极对载流子收集效果的大幅提升，实现PERC电池片光电转换效率0.10％的提升。

实施例4

本实施例的双面电池，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中铝主栅1的条数为20条，铝副栅2的宽度为140μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为1.15mm。本实施例中同一条主栅上背银电极3的分段数量为25，其宽度为1.6mm，长度为3.8mm，环型铝主栅102的环型宽度为0.7mm，内环宽度为1.4mm，内环长度为4.8mm。

本实施例的双面电池的制备方法，其工艺操作基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中经扩散后正表面薄层的方块电阻为140Ω/□之间，重掺杂区的方块电阻为70Ω/□之间。背面激光的非开槽区宽度2.4mm，长度5.3mm。背铝电极印刷时的网板目数360目、线径16μm、纱厚26μm、膜厚20μm；烧结温度为765℃。

所得电池结构如图6所示，采用本实施例的技术路线，可以在对背面遮光面积、浆浆耗量和组件焊接等性能无负面影响的情况下，实现背面电极对载流子收集效果的大幅提升，实现PERC电池片光电转换效率0.12％的提升。

实施例5

本实施例的双面电池，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中铝主栅1的条数为25条，铝副栅2的宽度为170μm，且相邻横向铝副栅201以及相邻纵向铝副栅202的间距均为1.3mm。本实施例中同一条主栅上背银电极3的分段数量为18，其宽度为1.8mm，长度为3.8mm，环型铝主栅102的环型宽度为0.5mm，内环宽度为1.6mm，内环长度为4.5mm。

本实施例的双面电池的制备方法，其工艺操作基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中经扩散后正表面薄层的方块电阻为165Ω/□之间，重掺杂区的方块电阻为55Ω/□之间。背面激光的非开槽区宽度2.5mm，长度5.5mm。背铝电极印刷时的网板目数360目、线径16μm、纱厚22μm、膜厚20μm；烧结温度为740℃。