La industria fotovoltaica se está desarrollando rápidamente y enfrenta desafíos en la disponibilidad a largo plazo de recursos clave como la plata. La industria fotovoltaica mundial consumió alrededor del 13 % de la producción anual mundial de plata en 2022. El cobre y el aluminio son materiales potenciales para reemplazar la plata. El cobre tiene una conductividad similar a la de la plata, pero existen desafíos técnicos para aplicar la metalización a base de cobre a alta temperatura. célula solar conceptos (como TOPCon), como la difusión del cobre en silicio, la oxidación, la contaminación cruzada y la confiabilidad a largo plazo de los electrodos.

Pasta de cobre serigrafiada para metalización de celdas TOPCon

Diagrama esquemático de la estructura de la celda iTOPCon con rejilla posterior de cobre serigrafiada.

Estructura de la célula solar iTOPCon: Incluyendo partes clave como el sustrato de silicio tipo n, la capa de óxido de túnel, la capa de pasivación y la capa de metalización.

Rejilla trasera de cobre: Se utiliza pasta de cobre serigrafiada para formar la rejilla metálica de la parte posterior. Este diseño pretende sustituir la metalización tradicional a base de plata para reducir su uso y mejorar la sostenibilidad. célula solarUn diseño de rejilla razonable puede reducir eficazmente la resistencia en serie del célula solar y mejorar la eficiencia de conversión fotoeléctrica.

Diagrama de flujo del experimento 1

Grupo 1: La metalización se realizó con una pasta frontal estándar de aluminio y plata (AgAl) y la serigrafía se realizó con una pasta de cobre sinterizado a alta temperatura en la parte posterior. La disposición de la rejilla en la parte posterior incluye 5 barras colectoras (100 μm de ancho) y 160 barras de dedo (80 μm de ancho). Grupo 2: La metalización se realizó con una pasta de plata comercial tanto en la parte frontal como en la posterior. La disposición de la rejilla frontal fue la misma que la del Grupo 1, y la posterior fue una disposición sin barras colectoras, incluyendo 194 barras de dedo (24 μm de ancho) y 12 barras colectoras ficticias (60 μm de ancho).

Serigrafía de pasta de cobre

Proceso de pasta de cobre para serigrafía: Este es un paso importante en el experimento de metalización posterior de células solares TOPCon, donde se aplica pasta de cobre a la célula solar mediante serigrafía.

Disposición de la rejilla de cobre de la célula solar: La figura muestra la disposición de la rejilla de cobre formada en la celda solar TOPCon mediante serigrafía. Esta disposición forma parte del diseño de metalización de la celda solar y tiene un impacto directo en su conductividad y eficiencia.

Resultados experimentales del Experimento 1

Imagen de microscopio láser de barrido confocal de una célula TOPCon después de la serigrafía de pasta de cobre.

La imagen se midió con microscopio y se observó claramente el ancho de las rayas de pasta de cobre. Tras la serigrafía y la sinterización, el ancho de las rayas era de aproximadamente 130-150 mm.μm. La altura de las rayas de pasta de cobre en los dedos oscilaba entre 20 y 25μEl efecto de sombra de las rayas de los dedos en la figura muestra que se ha formado un patrón de metalización claro en la parte posterior de la célula solarEste efecto de sombra tiene un doble efecto en la eficiencia de conversión fotoeléctrica del célula solar:por un lado, el patrón de metalización bloqueará parte de la luz incidente y reducirá la generación de portadores fotogenerados; por otro lado, un patrón de metalización razonable puede recolectar y transmitir eficazmente portadores fotogenerados y reducir la pérdida de recombinación de portadores.

Comparación de los resultados de la prueba IV de dos grupos de células solares

Datos de deposición de pasta de plata húmeda para dos grupos de células solares

Voltaje de circuito abierto (Voc): El Voc promedio del grupo experimental es aproximadamente 45 mV más bajo que el del grupo de control, lo que puede deberse al hecho de que la pasta de cobre posterior causó un cierto grado de daño a la capa de pasivación TOPCon durante el proceso de sinterización, lo que resultó en un aumento en las pérdidas de recombinación de portadores.

Densidad de corriente de cortocircuito (Jsc): La Jsc del grupo experimental es ligeramente inferior a la del grupo control, lo que está relacionado con la disminución de Voc, que puede deberse al aumento de las pérdidas por recombinación de portadores que conducen a una disminución en el número de portadores fotogenerados.

Factor de llenado (FF): El FF del grupo experimental es aproximadamente un 1,2 % menor que el del grupo de control, lo que indica que hay una cierta pérdida de resistencia en serie en el grupo experimental. célula solar.

célula solar eficiencia: La eficiencia de los mejores célula solar En el grupo 1 se alcanzó el 21,6%, y la eficiencia media fue del 20,9%; la eficiencia de los mejores célula solar en el grupo 2 fue de 23,5% y la eficiencia media fue de 23,3%.

El peso húmedo de la pasta de plata en el grupo experimental se redujo en aproximadamente 65 mg, lo que equivale a una reducción de aproximadamente el 62% en el consumo de plata por célula solarEn comparación con el grupo de control, el consumo de plata del grupo experimental se redujo de aproximadamente 17 mg/W a aproximadamente 7 mg/W.

Fabricación de células solares TOPCon de gran tamaño mediante metalización de cobre por galvanoplastia

Estructura de celda solar iTOPCon mediante proceso de metalización de níquel, cobre y plata electrodepositados

Apertura de contacto láser (LCO): utilice un láser de pulso de picosegundos para abrir localmente orificios en las capas de pasivación frontal y posterior del célula solar Para formar aberturas estrechas en forma de dedo para la metalización posterior. El ancho de las aberturas en forma de dedo en la parte frontal es de 5μm y en la parte de atrás hay 10μm.

Metalización por galvanoplastia: En el célula solar Tras el LCO, se depositan secuencialmente mediante galvanoplastia una capa de barrera de difusión de níquel, una capa conductora de cobre y una capa de recubrimiento de plata. La capa de níquel actúa como barrera de difusión para evitar que el cobre se difunda en el silicio; la capa de cobre cumple la función principal de conducción; y la capa de plata se utiliza para prevenir la oxidación del cobre y mejorar la conductividad.

Disposición de la cuadrícula: Hay 194 líneas de dedo y 12 pseudo barras colectoras (20μm de ancho) en el frente, y 235 líneas de dedo y 12 pseudo barras colectoras (50μm de ancho) en la parte posterior. Esta disposición ayuda a optimizar la eficiencia de recolección y transmisión de corriente. célula solar.

Línea de producción de galvanoplastia

Diagrama de flujo del experimento 2

El diagrama esquemático muestra el proceso completo, desde el sustrato de la celda hasta la metalización, incluyendo pasos clave como la deposición de la capa de pasivación, la apertura láser y la metalización por galvanoplastia. Esto ayuda a comprender cómo se utiliza e implementa el proceso de metalización por galvanoplastia de Ni/Cu/Ag en las celdas solares iTOPCon.

Grupo 1 (metalización galvanoplastia de Ni/Cu/Ag):

Apertura por contacto láser (LCO): Se utilizan láseres pulsados ​​de picosegundos para abrir localmente orificios en las capas de pasivación frontal y posterior de la celda, formando estrechas aberturas en forma de dedo para la metalización posterior. Estas aberturas en forma de dedo tienen 5μm de ancho en la parte delantera y 10μm en la espalda.

Metalización por galvanoplastia: Tras el LCO, en la celda se depositan secuencialmente una capa de barrera de difusión de níquel, una capa conductora de cobre y una capa de recubrimiento de plata mediante la línea de galvanoplastia RENA InCellPlate. La capa de níquel impide que el cobre se difunda en el silicio, la capa de cobre cumple la función principal de conducción y la capa de plata se utiliza para prevenir la oxidación del cobre y mejorar la conductividad.

Grupo 2 (Metalización con pasta de serigrafía plateada):

Metalización Frontal: Metalización frontal con pasta de serigrafía AgAl avanzada, impresión en cuadrícula sin barras colectoras, 154 dedos, 24μm de ancho.

Metalización de la parte trasera: Impresión en cuadrícula con pasta de plata, 198 dedos, 24μm de ancho.

Resultados experimentales del Experimento 2

I-Resultados de la medición V de los dos mejores célula solar grupos

Consumo estimado de plata para dos célula solar grupos

Por primera vez, se prepararon con éxito las células solares TOPCon M10 de gran tamaño. La mejor eficiencia de celda del grupo de galvanoplastia y del grupo de referencia de serigrafía fue del 24,0 %. El factor de llenado del grupo de galvanoplastia fue ligeramente superior, y la tensión de circuito abierto del grupo de serigrafía fue ligeramente superior.

El grupo de galvanoplastia depositó solo 9 mg de plata como capa de recubrimiento por celda, y el consumo de plata se redujo a aproximadamente 1 mg/W, un 93 % menos que el grupo de referencia de serigrafía (aproximadamente 15 mg/W). Si se usara estaño u otros materiales para reemplazar la capa de recubrimiento de plata, se podría evitar por completo su uso.

El proceso de metalización de níquel, cobre y plata (Ni/Cu/Ag) por galvanoplastia no solo redujo con éxito el consumo de plata a aproximadamente 1 mg/W, lo que fue aproximadamente un 93% menos que el proceso de serigrafía tradicional, sino que también mantuvo la eficiencia de conversión fotoeléctrica de la celda estable en 24,0%, lo que demuestra su gran potencial para reducir los costos de producción y mejorar la sostenibilidad de la industria fotovoltaica.