面對全球光伏裝機量從1.5 TW向75 TW的爆發(fā)式增長，光伏產(chǎn)業(yè)正面臨嚴峻的銀資源短缺挑戰(zhàn)。這一問題在目前主流的硅異質(zhì)結(jié)電池上尤為突出，其銀消耗量高達約17 mg/W。同時，被譽為下一代技術(shù)方向的鈣鈦礦/硅疊層電池由于其對溫度極度敏感（耐受溫度低于150°C），使得需要高溫退火的傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷銀電極技術(shù)難以適用。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監(jiān)測各個工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

為解決上述材料稀缺與工藝兼容性的雙重困境，本研究提出了一種名為“掩模電鍍”的創(chuàng)新性解決方案。該技術(shù)通過噴墨打印制備圖形化掩模，并結(jié)合低溫電鍍工藝，成功在硅異質(zhì)結(jié)和鈣鈦礦/硅疊層電池上實現(xiàn)了無銀的銅電極制備。這一方法不僅利用儲量豐富的銅完全替代了銀，其全流程低溫的特性也完美契合了下一代高效電池對溫度的苛刻要求，為光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一條可行的技術(shù)路徑。

噴墨打印掩模原理

Millennial Solar

掩模電鍍前表面金屬化工藝示意圖

(a) 不同打印頭溫度下，噴出的熱熔墨水液滴體積隨打印頭電壓變化的函數(shù)。每個數(shù)據(jù)點為三次測量的平均值，相對誤差為2%;(b) 熱熔墨水的剪切應力隨剪切速率變化的函數(shù)（三種溫度下）。數(shù)據(jù)為兩次測量的平均值，粘度μ的相對誤差為1%

(a) 噴墨打印的熱熔墨滴在覆蓋有氧化銦錫層的平面基板上的輪廓（基板溫度范圍為17至26°C）。每個輪廓代表在一條線上打印的五個液滴的平均值（打印頭設定溫度95°C），液滴間距為51 μm，如(b)所示。液滴輪廓沿(b)中紅色標記進行評估。(a)中曲線的相對誤差估計為5%

噴墨打印的關鍵在于穩(wěn)定噴射小體積墨滴。研究發(fā)現(xiàn)：

噴頭電壓(Uhead)與墨滴體積(Vdrop)呈線性關系；

噴頭溫度(Thead)升高可降低墨水粘度，從而減小墨滴體積；

在 Thead=99°C、Uhead=67 V時，墨滴體積最小為23.5 pL。

此外，基板溫度(Tsubstrate)影響墨滴鋪展與輪廓。當 Tsubstrate≥24°C時，墨滴邊緣模糊，不利于形成陡直掩模開口。因此選擇Tsubstrate=20°C進行打印。

滴間距優(yōu)化：

在鋸痕蝕刻(a)和堿織構(gòu)化(b)的氧化銦錫覆蓋基板上，噴墨打印的熱熔墨水（打印方向自下而上）在不同液滴間距下的形貌。打印期間基板溫度保持在20°C。(b)中樣品的堿織構(gòu)化表面與圖7所示表面具有可比性

在覆蓋有氧化銦錫層的平面(a)和織構(gòu)化(b)基板上，噴墨打?。ù蛴》较蜃韵露希┑难谀?電鍍阻擋層。掩模中用于后續(xù)電鍍金屬沉積的開口寬度為9–16 μm。打印期間基板溫度保持在20°C

51 μm 滴間距無法形成連續(xù)線條；

23 μm 滴間距可在平面與織構(gòu)表面均形成連續(xù)、邊緣清晰的掩模線條。

最終掩模開口寬度為9–16 μm，結(jié)構(gòu)清晰，覆蓋完整。

掩模電鍍銅電極的性能

Millennial Solar

用于邊長25 mm方形測試樣品的掩模電鍍金屬化布局

掩模電鍍金屬化后的織構(gòu)化硅異質(zhì)結(jié)樣品（方形，邊長25 mm）與(a)中的樣品不同，(b)中的樣品在噴墨打印后、電鍍銅沉積前進行了等離子體處理

直接電鍍銅于ITO存在附著力差與沉積不均勻問題。本文在電鍍前引入等離子體處理，顯著改善了銅沉積的均勻性與附著力。可能機制包括：

去除表面有機物，提高親水性；

可能還原ITO表面的銦，形成金屬種子層。

微觀結(jié)構(gòu)對比（SEM）：

在覆蓋有氧化銦錫層的堿織構(gòu)化基板上的金屬接觸的掃描電子顯微鏡圖像

絲網(wǎng)印刷銀電極寬度約32 μm，高度約15 μm，存在網(wǎng)痕與孔隙；

掩模電鍍銅電極寬度僅15 μm，高度16 μm，結(jié)構(gòu)致密，截面接近矩形，界面接觸良好。

電學性能：

掩膜電鍍與網(wǎng)印金屬化的電性能對比

銅電極的橫向電阻率ρt=2.5±0.1 μΩ·cm，接近銅體材料理論值（1.8 μΩ·cm）；

接觸電阻率ρc=0.4±0.2 mΩ·cm2，與銀電極相當；

鎳中間層可進一步降低 ρc約30%。

SHJ電池性能

Millennial Solar

具有不同前表面金屬化和主柵數(shù)量的M6尺寸SHJ半電池的I-V相關數(shù)據(jù)

基于共聚焦顯微鏡的絲網(wǎng)印刷電極和掩模電鍍金屬化的指寬wf (a) 和指高hf (b) 數(shù)據(jù)，(c) 中顯示了光學顯微鏡圖像，分別展示了絲網(wǎng)印刷Ag和掩模電鍍Cu接觸

在工業(yè)M6尺寸SHJ半電池上對比三種前表面金屬化方案：

Ag SP：絲網(wǎng)印刷銀電極，27 μm開口；

Cu M&P：掩模電鍍銅電極，15 μm或30 μm開口；

Ni/Cu M&P：掩模電鍍鎳/銅電極，15 μm開口。

掩膜電鍍與網(wǎng)印的金屬用量對比

結(jié)果顯示：

Voc無顯著差異，說明等離子體處理未損傷SHJ結(jié)構(gòu)；

jsc：15 μm開口的M&P組最高，30 μm開口與無主柵絲網(wǎng)印刷相當；

電極尺寸：M&P 15 μm組電極寬度僅 14±214±2 μm，高度略低于絲網(wǎng)印刷；

效率：M&P組平均效率比絲網(wǎng)印刷高 0.6±0.70.6±0.7 %，最高達22.5%；

金屬用量：M&P 15 μm組銅耗僅 4±2 mg/W，絲網(wǎng)印刷銀耗為 6±1 mg/W。

PVST電池的掩模電鍍應用

Millennial Solar

在PVST太陽能電池級別評估的掩模電鍍前表面金屬化；(a) 使用在處理前/處理期間拍攝的照片說明掩模電鍍工藝序列；(b) 和 (c) 顯示了同一PVST太陽能電池在掩模電鍍金屬化之前 (b) 和之后 (c) 的光致發(fā)光圖像；(d) 顯示了掩模電鍍銅電極旁邊的鈣鈦礦層的微觀結(jié)構(gòu)。圖中包含了掃描電鏡所使用的視角可視化；(e) 展示了在STC下具有掩模電鍍前表面金屬化的PVST太陽能電池的I-V相關數(shù)據(jù)

在1.21 cm2 PVST電池上進行驗證：

視覺與PL分析：未發(fā)現(xiàn)活性區(qū)變色或損傷，PL強度略有上升；

SEM圖像：鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)完好，未受電鍍過程影響；

I-V性能：最佳效率達19.35%，為目前電鍍電極PVST電池中最高；

限制因素：當前器件未鍍MgF?抗反射層，ITO層較薄，F(xiàn)F偏低，未來優(yōu)化后可進一步提升。

掩模電鍍法具備以下優(yōu)勢

Millennial Solar

低溫工藝：適用于SHJ與PVST等溫度敏感器件；

無銀化：使用銅替代銀，降低成本與資源依賴；

高精度電極：寬度可控制在14 μm以下，電阻率接近理論值；

工業(yè)兼容性：使用工業(yè)級噴墨與電鍍設備，具備規(guī)?；瘽摿?。

待優(yōu)化方向：

掩模去除劑需替換為工業(yè)級剝離液，并研究熱熔墨水的回收利用；

需進行組件級可靠性測試（如濕熱、溫度循環(huán)）；

初步成本分析顯示，M&P相比絲網(wǎng)印刷可降低每瓦成本約5%。

本研究表明“掩模電鍍”銅金屬化技術(shù)是一條極具前景的產(chǎn)業(yè)化路徑：對于硅異質(zhì)結(jié)電池，它能在完全取代銀的同時，提升電池效率并降低材料成本；對于鈣鈦礦/硅疊層電池，它提供了首個真正意義上無銀、低溫且無損的電極制備方案。未來的工作將聚焦于優(yōu)化掩模去除工藝以實現(xiàn)熱熔墨水的循環(huán)利用、開展組件級別的可靠性測試以及進行更精確的成本效益分析，從而加速這項創(chuàng)新技術(shù)從實驗室走向大規(guī)模生產(chǎn)。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

Millennial Solar

大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點，并且結(jié)合AI深度學習，實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓練：實現(xiàn)全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監(jiān)測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Mask and plate copper metallization for silicon heterojunction and perovskite silicon tandem solar cells

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請及時聯(lián)系我司進行刪除。