CN102651247A - 一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料 - Google Patents

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Abstract

一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料,包括导电相、有机相和金属粘结相的前驱体,所述前驱体由第一类金属粉末或者第一类金属粉末与第二类金属粉末的混合物组成,第一类金属粉末选择下列三种之一:铅粉;铋粉;铅粉与铋粉的混合物;第二类金属粉末选择下列任意一种或者两种以上的混合物:镁粉;钨粉;钛粉;钴粉;镍粉;锑粉;锌粉。本发明构建了一种全新的金属粘结相的前驱体体系来取代现有的低熔点玻璃粉,在烧结时这种金属体系的前驱体形成低熔点液态合金,并烧透减反层,形成正面电极。本发明导电浆料在烧结后形成的固相物质全部为金属,不含无机的玻璃相,所以形成的正面电极的导电性和可焊性大大提高。

Description

一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏电池正面电极用导电浆料,特别涉及该导电浆料的成分体系。本发明提供的导电浆料不仅可以用作晶体硅太阳能光伏电池的正面电极,还可以用作薄膜太阳能光伏电池的正面电极。 
背景技术
随着传统能源的日益枯竭和石油价格的不断上升,以及人们对自身生存环境要求的不断提高,作为无污染的清洁能源——太阳能光伏电池必将会得到更加迅猛的发展。 
太阳能光伏电池是通过光电效应把太阳的光能直接转化为电能的装置。其工作原理是:在光能的作用下,P型和N型半导体的接合面有电子扩散产生电流,利用上下两端的金属导体可将该电流引出利用。其中太阳能光伏电池迎着太阳的受光面所用的电极称为正面电极。目前制备正面电极的主要方法为丝网印刷工艺,即将导电浆料通过丝网印刷工艺印制于太阳能光伏电池的受光面上,从而形成正面电极。 
目前在现有技术中,采用丝网印刷工艺制备正面电极所用的导电浆料主要由三部分构成,第一部分为导电相,该导电相为起导电作用的金属粉末,一般采用导电性能最好的银微粉;第二部分为有机相,该有机相为适用于丝网印刷技术的有机载体,有机载体主要由有机溶剂、增塑剂、触变剂、流平剂以及表面活性剂等组成,它通过物化作用使导电浆料具有适用于丝网印刷的粘度、触变性等的流变性能,使得丝网印刷能够得到需要的印刷精度和效果;第三部分为无机相,该无机相为烧结时起烧透减反层和粘结作用的无机载体,无机载体主要由低熔点玻璃微粉和起助烧作用的金属氧化物组成,其中,低熔点玻璃通常为铅硼硅酸玻璃或铅硅酸玻璃,也有一些为不含铅的环保型玻璃。无机载体不仅决定着导电浆料对减反层的烧透能力以及电极与电池基片的结合力,而且对接触电阻的降低也起非常关键的作用。 
在太阳能光伏电池正面电极制作时,印刷在电池基片受光面上的导电浆料经过快速热处理后,导电浆料中的有机载体分解而完全挥发出来,导电浆料中的低熔点玻璃烧穿减反层后使银微粉与电池基片接触而形成正面电极。因此,导电浆料经烧结以后形成的正面电极主要由导电相金属和低熔点玻璃组成。但是低熔点玻璃为电阻很高的玻璃态绝缘体,因此低熔点玻璃的存在增加了正面电极的体电阻,从而降低了正面电极的导电性,影响了太阳能光伏电池的转换效率。与此同时,玻璃在电极中的存在也会使得正面电极的焊接性能降低。目前,解决这些问题的主要方法是降低玻璃在导电浆料中的含量,但从实际效果看,并不理想。 
发明内容
本发明提供一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料,其目的主要是降低正面电极的体电阻,提高太阳能光伏电池的转换效率,其次是要改善正面电极的焊接性能,提高正面电极的可焊性。 
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料,该导电浆料的原料配方主要由导电相、有机相和金属粘结相的前驱体组成; 
所述导电相的含量占整个导电浆料重量的50%~90%,该导电相为银粉,银粉的粒径范围为0.5微米~10微米;
所述有机相的含量占整个导电浆料重量的8%~30%,该有机相主要由有机溶剂和增塑剂组成,其中,有机溶剂的重量占有机相总重量的60%~95%,增塑剂的重量占有机相总重量的5%~40%;
所述有机溶剂选择下列溶剂中的任意一种,或者两种以上按任意比例的混合物:
松油醇;
丁基卡必醇;
丁基卡必醇醋酸;
丙二醇甲醚醋酸酯;
乙二醇乙醚;
乙二醇丁醚醋酸酯;
石油醚;
松节油;
所述增塑剂选择乙基纤维素、丁基纤维素和羟基纤维素中的任意一种;
所述金属粘结相的前驱体的含量占整个导电浆料重量的2%~40%,该金属粘结相的前驱体的粒径范围为0.01微米 ~15微米,所述金属粘结相的前驱体由下列第一类金属粉末或者下列第一类金属粉末与下列第二类金属粉末的混合物组成,在第一类金属粉末与第二类金属粉末的混合物中,第一类金属粉末的重量占混合物总重量的30%~90%,第二类金属粉末的重量占混合物总重量的10%~70%:
所述第一类金属粉末选择下列三种中的任意一种:
铅粉;
铋粉;
铅粉与铋粉按任意比例的混合物;
所述第二类金属粉末选择下列任意一种金属粉末或者两种以上金属粉末按任意比例的混合物:
镁粉;
钨粉;
钛粉;
钴粉;
镍粉;
锑粉;
锌粉。
上述技术方案中的有关内容解释如下: 
1.上述方案中,由于银粉的粒度分布对导电浆料的烧结性能和烧结后的电极性能具有很大的影响,如果银粉的颗粒大于10微米,则电极的厚度不均匀,电极的表面粗糙而影响电极的焊接性能。如果银粉的颗粒小于0.5微米时,银粉的团聚作用较强,较难分散,吸油量大,使得导电浆料的固含量提高,因此银粉粒径范围为0.5微米~10微米。银粉的物理形态采用球形或片状银粉较好,但也可以采用其它形态的银粉,如柱状。
2.上述方案中,由于金属粘结相的前驱体的含量比导电相的含量少,为了使其能在导电浆料中更好的分散,金属粘结相的前驱体的粒径最好要小于导电相的粒径,但当前驱体的粒径大于或等于银粉的粒径时,可以替代银粉的作用,降低浆料成本,因此金属粘结相的前驱体的粒径范围可为0.01微米~15微米。 
3.上述方案中,所述有机相中可以添加表面活性剂和触变剂等试剂,用以调节导电浆料的印刷特性。其中,表面活性剂选择卵磷脂和三乙醇胺中的任意一种,含量占有机相重量的0~5%;触变剂选择蓖麻油和氢化蓖麻油中的任意一种,含量占有机相重量的0~5%。 
本发明原理和效果是:本发明与现有技术的本质区别在于构建了一种全新的金属粘结相的前驱体体系来取代现有技术的低熔点玻璃粉。在制备太阳能光伏电池正面电极的烧结过程中,当烧结温度在300℃以下时,主要是导电浆料中的有机相挥发和燃烧,当烧结温度在300℃至烧结的峰值温度范围内时,金属粘结相的前驱体之间相互作用或者是金属粘结相的前驱体导与电相银粉相互作用形成低熔点合金,这种低熔点合金形成的液态合金密度较大,在烧结过程中受自身重力的影响从减反层表面不断下沉直至烧透减反层,与硅表面形成良好的欧姆接触,并将银粉互相连接起来,最终形成正面电极。由于本发明金属粘结相的前驱体采用的是金属体系,因此这种导电浆料在烧结后形成的固相物质全部为金属,不含无机的玻璃相,所以由此而形成的正面电极的导电性和可焊性大大提高。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述: 
实施例:
为了更好的说明本发明,本实施例导电浆料的原料配方和对比例导电浆料的原料配方见下表,实施例和对比例的制备方法完全一致,唯一差别是用相同含量的金属粘结相的前驱物来代替玻璃粉。
表1:对比例导电浆料的原料实验配方表 
  粘度 银粉 玻璃粉 有机相
  Pa.S 重量百分比 重量百分比 重量百分比
对比例 240 80% 6% 14%
表2:实施例导电浆料的原料实验配方表
  粘度 银粉 金属粘结相的前驱体 有机相
  Pa.S 重量百分比 重量百分比 重量百分比
实施例1 270 80% 铅3%;铋1%;锌1%;镁1% 14%
实施例2 258 80% 铋4%;镍0.5%;钴0.5%;镁1% 14%
实施例3 261 80% 铅5%;钛1% 14%
实施例4 220 80% 铋3%;钨0.5%;锑1.5%;镁1% 14%
实施例5 275 80% 铅3%;铋2%;钴0.5%;镍0.5% 14%
实施例6 238 80% 铋4%;锌1%;镁1% 14%
实施例7 267 80% 铋2%;钴2%;镍2% 14%
实施例8 240 80% 铋4%;锌2% 14%
实施例9 256 80% 铅3%;钛2%;镁1% 14%
实施例10 287 80% 铋3%;锑3% 14%
实施例11 255 80% 铅3%;锑1%;镍2% 14%
实施例12 275 80% 铅3%;铋1%;钴1%;镁1% 14%
表1和表2说明如下:
1.表1和表2中的银粉粒径相同,均为8微米,在本发明限定的0.5微米~10微米范围内。表1中的玻璃粉粒径和表2中的金属粘结相的前驱体粒径,均为0.2微米,在本发明限定的0.01微米 ~15微米范围内。银粉的物理形态采用球形或片状银粉。
2.表1和表2中的有机相成分和比例相同,均由有机溶剂、增塑剂、表面活性剂和触变剂组成,其中,有机溶剂采用松油醇和丁基卡必醇(重量比按2:1配制),占有机相总重量的70%;增塑剂采用乙基纤维素,占有机相总重量的26%;表面活性剂采用卵磷脂,占有机相总重量的2%;触变剂采用氢化蓖麻油,占有机相总重量的2%。 
3.表1和表2中的有机溶剂均采用松油醇和丁基卡必醇按重量比2:1的比例配制而成。但有机溶剂还可以选择其他溶剂,比如下列溶剂中的任意一种,或者两种以上按任意比例的混合物: 
丁基卡必醇醋酸; 
丙二醇甲醚醋酸酯;
乙二醇乙醚;
乙二醇丁醚醋酸酯;
石油醚; 
松节油。
下面对表1对比例和表2实施例导电浆料进行制备和测试: 
1.导电浆料的制备
(1)对比例
首先将松油醇、丁基卡必醇、乙基纤维素、氢化蓖麻油和卵磷脂加热至95℃,搅拌2小时以上,待乙基纤维素和氢化蓖麻油完全溶解后冷却形成表1中的有机相。再按表1中对比例配方加入银粉和玻璃粉搅拌后在三辊研磨机上研磨30分钟后收料装罐,制成对比例的导电浆料。
(2)实施例 
采用与对比例相同的有机相,再按表2中实施例1至实施例12的配方加入金属粘结相的前驱体搅拌后在三辊研磨机上研磨30分钟后收料装罐,分别制成实施例1至实施例12的导电浆料。
2.导电浆料性能的测试 
(1)细度测试
分别将制成的导电浆料用标准的刮板细度计(QXP-25)测试浆料的刮板细度。
(2)粘度测试 
分别将制成的导电浆料用BROOK FIELD 粘度计在14号转子小样适配器中于温度25℃的条件下测试得到粘度值。
(3)串联电阻测量 
分别将制备好的导电浆料用型号为DEK-248的印刷机在单晶硅的硅片上印刷后,再放入型号为PVD-300的烧结炉中,以最高温度780℃,烧结15分钟后于空气中冷却,得到烧结后的银电极。用VC890D万用表测试单根线的体电阻。
(4)焊接性能测试 
在上述制得的单晶硅的正面电极上采用IPC-TM-650-2.4.45测试标准(印制电路板测试方法)测试电极表面的润湿性。
3.测试结果 
表3:测试结果
  粘度 细度 电阻 焊接性能
  Pa.S 微米 Ω 润湿面积(%)
对比例1 240 8 0.87 90%
实施例1 270 8 0.49 100%
实施例2 258 8 0.65 100%
实施例3 261 8 0.64 100%
实施例4 220 8 0.75 96%
实施例5 275 8 0.57 98%
实施例6 238 8 0.80 95%
实施例7 267 8 0.66 90%
实施例8 240 8 0.73 92%
实施例9 256 8 0.65 92%
实施例10 287 8 0.39 95%
实施例11 255 8 0.66 100%
实施例12 175 8 0.75 95%
从表3中可以看出,用本发明金属粘结相的前驱体取代玻璃粉后,串联电阻明显降低,焊接性能有所提高。
除了以上实验用实施例1~实施例12给出的导电浆料原料配方而外,还有以下导电浆料原料配方可以实施: 
表4:导电浆料其他实施例的原料配方表
  银粉 金属粘结相的前驱体 有机相
  重量% 重量% 重量%
实施例13 73% 铅7% 20%
实施例14 70% 铋5% 25%
实施例15 65% 铅5%;铋5% 25%
实施例16 86% 铅3%;钴1% 10%
实施例17 83% 铅4%;锑2% 11%
实施例18 82% 铅3%;镁1% 14%
实施例19 75% 铅5%;镍3% 12%
实施例20 77% 铋4%;钛1% 18%
实施例21 78% 铋5%;钴2%; 15%
实施例22 60% 铅4%;铋4%;镁1%;钨1;钛2;钴2;镍1;锑2;锌2% 21%
实施例23 64% 铅3%;铋3;钛2%;钨1;锑2;锌2% 23%
实施例24 68% 铅3%;铋3%;钨2;钴2;锌2% 20%
实施例25 71% 铅3%;铋3%;镁2%;镍1;钨1; 19%
实施例26 84% 铅2%;铋2%;钨1;钛1;锑1; 9%
实施例27 82% 铅3%;铋1%;钨1;锑1 12%
表4实施例中的其他内容与表2相同,这里不再重复描述。
根据以上二十七个实施例,本领域技术人员完全可以在本发明技术方案的范围内演变出更多的实施例,区别只是在效果方面略有差异。 
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种新型太阳能光伏电池正面电极用导电浆料,其特征在于:该导电浆料的原料配方主要由导电相、有机相和金属粘结相的前驱体组成;
所述导电相的含量占整个导电浆料重量的50%~90%,该导电相为银粉,银粉的粒径范围为0.5微米~10微米;
所述有机相的含量占整个导电浆料重量的8%~30%,该有机相主要由有机溶剂和增塑剂组成,其中,有机溶剂的重量占有机相总重量的60%~95%,增塑剂的重量占有机相总重量的5%~40%;
所述有机溶剂选择下列溶剂中的任意一种,或者两种以上按任意比例的混合物:
松油醇;
丁基卡必醇;
丁基卡必醇醋酸;
丙二醇甲醚醋酸酯;
乙二醇乙醚;
乙二醇丁醚醋酸酯;
石油醚;
松节油;
所述增塑剂选择乙基纤维素、丁基纤维素和羟基纤维素中的任意一种;
所述金属粘结相的前驱体的含量占整个导电浆料重量的2%~40%,该金属粘结相的前驱体的粒径范围为0.01微米 ~15微米,所述金属粘结相的前驱体由下列第一类金属粉末或者下列第一类金属粉末与下列第二类金属粉末的混合物组成,在第一类金属粉末与第二类金属粉末的混合物中,第一类金属粉末的重量占混合物总重量的30%~90%,第二类金属粉末的重量占混合物总重量的10%~70%:
所述第一类金属粉末选择下列三种中的任意一种:
铅粉;
铋粉;
铅粉与铋粉按任意比例的混合物;
所述第二类金属粉末选择下列任意一种金属粉末或者两种以上金属粉末按任意比例的混合物:
镁粉;
钨粉;
钛粉;
钴粉;
镍粉;
锑粉;
锌粉。
2.根据权利要求1所述的导电浆料,其特征在于:所述有机相中添加用以调节导电浆料印刷特性的表面活性剂和触变剂,其中,表面活性剂选择卵磷脂和三乙醇胺中的任意一种,含量占有机相重量的0~5%;触变剂选择蓖麻油和氢化蓖麻油中的任意一种,含量占有机相重量的0~5%。
3.根据权利要求1所述的导电浆料,其特征在于:所述银粉的物理形态采用球形或片状银粉。
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